離心式分離系統的制作方法

專利名稱：離心式分離系統的制作方法
離心式分離系統
技術領域：
本發明涉及一種如獨立權利要求的前序所提到的各種型號的系統和裝 置，其用于實現流體中不同密度成分的分離。背景纟支術
一些流體，尤其是生物體液比如說血液，包含大量的珍貴的和/或醫用 的成分。人們致力于尋找可以有效的分離并收集這些相對高純度的珍貴/有
用的成分。其中一個分離樣本血液成分的方式在美國專利6733433中被揭 示。該專利描述了一種生物體液的離心系統，其中樣本被置于一個帶有可 軸向移動活塞的可變容積的圓柱容器中。圓柱容器繞著其縱向軸快速旋轉， 從而導致體液中的各成分分離到同心環的各個部分，其中密度高的成分接 近容器的圓周而密度底的成分在容器的中心。壓縮空氣將活塞推向容器頂 部，從而不同的成分輪流從容器頂端的中心孔排出。中心開口通過一個旋
轉密封裝置與各不同成分所導向的閥門、管道和收集袋系統相連。位于管 道頂端中心開口的感光元件測量管道上的吸光率，光輻射測探器所得的信 號的變化被控制裝置使用，從而決定不同的流體成分何時通過感光元件， 并控制閥門從而流體成分被引入正確的收集袋。
發明內容
依據本發明，系統和裝置被用于將流體，尤其是生物體液，借助于具有 權利要求1的特征部分所述特點的系統，及具有權利要求6的特征部分所 述特點的裝置，被分離為各個成分。附圖簡要說明


圖1是依據本發明的離心機第一個實施例原理的俯視圖。 圖2是依據本發明，用于分離和收集生物體液各成分的一次性裝置的第 一個實施例的原理圖，其位于離心室中。
圖3-圖9顯示了使用圖2中的一次性裝置分離和收集血液成分方法的 實施例步驟。
具體實施方式
圖1顯示了依據本發明的離心機1原理的俯視圖，其中對于本領域的 專業人員所熟知的特點不再描述。離心機有一個主體3，其支撐中心旋轉軸， 其中，大量的離心室支臂7，在本例中為4個，被連接到旋轉軸上。各支臂 支撐其各自的離心室9。成像裝置ll，比如說是一個照相機13和一個高速 的照相閃光燈15被用于，當離心室繞著中心軸5旋轉時，對離心室9的部 分運作軌跡進行拍攝，且各離心室9都有透明的管壁或是窗17，朝向成像 裝置11方向。離心機1由例如微處理器或者電腦的控制裝置19控制，它 控制離心機的轉動速度，并控制將在下面敘述的閃光燈15和閥門，以及對 成像裝置11傳輸來的圖像進行控制和處理。閃光燈15被監控，從而其可 在通過照相機13視角區域中相同位置的時候，照亮各個離心室，從而達到 各離心室圖像的偽穩態或者靜止狀態。控制裝置19和離心機1、閥門、成 像裝置11及閃光燈15等之間的連接可以使有線的及/或無線的連接，比如 通過紅外線或者無線電通信。
圖2顯示了離心室9和用于分離和收集生物體液各成分的容器及管線 裝置21。裝置21包括 一個生物體液接收容器23，用于接收即將分離的 生物體液。所述容器23具有一個圓筒壁25和橫截面積AF的內孔，其中容納有一個質量MF的可移動活塞27,活塞27密封接合所述的圓筒壁25， 活塞27與容器23的基底55之間的內孔容積形成一個生物體液接收腔28; 一個第一分離流分接收容器29，用于接收分離的流體成分，所述容器29優 選應用可變容積的伸縮袋或者伸縮筒的形式； 一個可選的分離流分清潔圓 筒31包含一個圓筒壁33和橫截面積AS的內孑L，其中容納一個質量MS的 可移動活塞35,活塞35密封接合所述的圓筒壁，活塞35和容器31的基底 32之間的內孔容積形成一個腔34，其具有足夠大的容積以接收分離成分和 洗滌液； 一個可選的容納洗滌液容器37包含一個圓筒壁39和4黃截面積AB 的內孔，其包含一個質量MB的可移動活塞41,活塞41密封接合所述的圓 筒壁39，活塞41與容器37的基底38之間的內孔容積形成一個腔40，用 于容納洗滌液，第一容納添加劑的容器43包含一個圓筒壁45和橫截面積 AA的內孔，其包含一個質量MA的可移動活塞47，活塞47密封接合所述 的圓筒壁，活塞47和容器43的基底44之間的內孔容積形成一個腔48,用 于容納添加劑；及第二分離流分接收容器49。可選的，第二容納添加劑的 容器51可包括在裝置里，從而添加劑離開第一容納添加劑的容器43,通過 位于或是靠近其一端的開口 50進入第二容納添加劑的容器51而與其中的 物質相混合，可選擇地通過使用攪拌器52協助混合，而混合的添加劑通過 一個位于或者靠近容器相反一端的開口 54離開第二容納添加劑的容器。
裝置21進一步包含一第一管道53，優選柔性軟管，其連接第一容納添 加劑的容器43的基底44，(如果配備的話，也可通過第二容納添加劑的容 器51)到流體接收容器23的基底55，第二管道57,優選柔性軟管，其從 通道59經活塞27連接到T型接頭的支柱，T型接頭通過第一支臂和第三管道63，優選柔性軟管，連接到第二分離流分接收容器49并通過第二支臂 和第四管道65，優選柔性軟管連接到分離流分接收容器29。如果提出可選 的分離流分清潔圓筒31和可選的容納洗滌劑圓筒37，則其相應的基底32、 38，分別相應地連4妻到管道口 65及相應的管道口 69。
離心室9包含一個腔71,其具有預形成的低氣壓區73,用以在合適的 位置接收和保持裝置21于腔71中，裝置21在腔71中處于預定方位，在 該方位容器23， 31, 37, 43的基底較他們的相反端要遠離離心機的旋轉軸 心。第一遙控閥門75 一皮設置允許或禁止流體經軟管53流過。第二遙控閥 門77被設置允許或禁止流體經軟管57流過。第三遙控閥門79 ^皮設置允許 或禁止流體經軟管63流過。第四遙控閥門81被設置允許或禁止流體經軟 管65流過。第五遙控閥門83被設置允許或禁止流體經短管67流過。第六 遙控閥門85被設置允許或禁止流體經通道口 69流過。
為了使得大量的生物體液能比較方便的導入生物體液接收容器23， 一個 優選具有密封吸入口 89的吸入管線87可提供于裝置21的各個合適的位置， 比如在閥門75和生物體液接收容器23之間，或在閥門77和生物體液接收 容器23之間。
圖3-圖9顯示了依據本發明的從一個生物體液的樣本分離預定成分的 方法的實施例，其中使用密度梯度介質91作為添加劑而用洗滌劑93來洗 滌預定成分。在這個例子中，生物體液是血液95，同時選用密度高于單核 苷酸細胞密度而低于血液中血紅細胞的密度的密度梯度介質。第一和第二 添加劑容器43, 51被填滿密度梯度介質91,而容納洗滌劑的容器37被填 滿洗滌劑93。圖三顯示了將血液樣本95通過吸入口 89和吸入管線87填入生物體液接收容器23的步驟。這是通過將活塞27置入容器23基底，關閉 閥門75和77并經吸入口 89將血液樣本95注入吸入管線87來實現。關閉 的閥門75和77防止血液樣本進入管線53和57，其導致在血液樣本95導 入時，活塞27被從容器23的基底推出。血液樣本95注入容器23的過程 在裝置21在離心室9時或更優選地，在置入離心室9之前發生。
一旦血液樣本95 ;波導入而且裝置21 ;波置入離心室9M叚如此前它還未 被置入的情況下)，裝置21的離心過程就開始執行。控制裝置控制旋轉軸 在一個預期的速度下旋轉，接著密度梯度介質91被加入樣本95。這是通過 打開閥門75實現的。不需要使用泵來將密度梯度介質91從添加劑容器43 轉移到容器23，這是因為可移動活塞47的面積除以容器43的橫截面積的 比率要大于活塞27的面積除以容器23的橫截面積的比率，從而導致容器 間的壓力不同，使得密度梯度介質91被壓入容器23。密度梯度介質流持續 流動直到容器間壓力相等或者閥門75關閉。在密度梯度介質停止流動后， 離心機繼續運作，血液樣本的各成分及密度介質轉移到容器23的各個層， 其根據各成分的密度分層且形成一個明顯的層，如圖4所示。在這個例子 中，血液樣本95-陂分離成致密的血紅細胞層101，而在它的上方是一層密 度梯度介質91。單核苷酸層103位于密度梯度介質層91之上，而密度更低 的血漿層105位于單核苷酸層103之上。
控制裝置19可包含圖像處理軟件，通過處理從成像裝置11傳來的圖 像信號，其可以確定什么時候各成分已被分離成為充分穩定的層。 一旦充 分穩定層被確定(或者在從離心機開始運作后的一個預定的時間內)，控制 裝置19控制閥門77和79打開。這樣使得活塞27在壓力Acc的作用下朝著容器23基底的方向移動，該壓力Acc是由離心室9的旋轉產生，從而導 致容器23中的流體靠近活塞27,血漿105，通過通道59離開容器23。血 漿105沿著軟管57，經過閥門77，順著軟管63進入第二分離流分接收容 器49。 一旦所有的血漿105都離開了容器23，單核苷酸細胞103開始通過 通道59離開容器23，如圖5所示。
控制裝置19優選地包含軟件，其可通過測量活塞27的位移速度并使 用已知的管道57每單位長度的容積來計算血漿通過管道57的流速。其可 以計算什么時候最后的血漿105和最先的單核苷酸細胞103到達T接頭61， 并可在同一時間控制閥門79關閉及閥門83的打開(或且在這個時刻之前 較短時間內打開閥門，以保證單核苦酸細胞103的最大流出量，從而避免 部分單核苦酸細胞103進入管道63的風險)。
在基于本發明的方法的該實施例中，其需要在將單核苷酸細胞收集到 分離流分接收容器29之前清洗單核苷酸細胞103，從而一旦閥門70關閉， 閥門81維持關閉狀態而閥門83打開。這使得單核苷酸細胞103通過管道 65和短管67流入分離流分接收容器31,如圖6所示。由于活塞面積除以 容器31的橫截面積的比率小于容器23,該流動不需要泵的協助。控制裝置 19優選地包含軟件，其可通過測量活塞27的位移速度并使用已知的管道 57每單位長度的容積來計算密度梯度介質91通過管道57的流速。其可計 算最后的單核苷酸細胞103和最先的密度梯度介質91到達短管67的時間， 并可在同一時間關閉閥門77并關閉閥門83 (或在該時刻之前的較短時間 內)，以防止密度梯度介質91流入短管67進入分離流分清潔容器31。
通過打開第五個遙控閥門83和第六個遙控閥門85，單核苷酸細胞103可在分離流分清潔容器31中被清洗。由于可移動活塞41的質量除以容器 37的橫截面積的比率大于活塞35的質量除以容器31的橫截面積的比率， 從而在容器31， 37間形成了一個壓力差，其將洗滌劑93從容器37壓入容 器31，直到壓力平衡。洗滌劑93優選具有一個比單核苷酸血液細胞103低 的比重。進入容器31的洗滌劑93流從容器31的基底32舉起單核苷酸細 胞103，而且如果進入的洗滌劑93流的速度足夠快，.它們在距離基底32 — 段距離處懸浮在洗滌劑93流中。如圖7所示，在洗滌劑93流經單核苷酸 細胞層時，它們仍保持懸浮狀態，從而在一個稱為"淘析(Elutrmtion)"的 過程中對其進行清洗。在一個預定的時間或者一定量的洗滌劑93進入容器 31或者一旦活塞35到達一個預定的位置后，閥門83和85關閉。這樣使得 單核苷酸細胞103在容器31的基底處被收集，如圖8所示。
單核苷酸細胞103可通過開口閥門81和83轉移到第一分離流分接收 容器29。其允許釋放的壓力通過活塞35作用到容器31的內含物上以推動 單核苦酸細胞103經短管67和管道65通過閥門81和83進入到第一分離 流分接收容器29，如圖9所示。
控制裝置19優選的包含軟件，其可通過測量活塞35的位移速度并使 用已知的管道65和67的每單位長度的容積來計算單核苷酸細胞103通過 管道65和67的流速。其可計算最后的單核苷酸細胞103和最先的洗滌劑 93到達閥門81的時間，且可關閉閥門81并在同一時間關閉閥門83 (或在 該時刻之前的較短時間內)，以避免洗滌劑93從閥門81流出并進入分離流 分清潔容器29。接著，離心機可停止且裝置21從離心室9移除做進一步處 理。在依據本發明的第二個實施例方法中，其需要在未清洗的情況下收集
單核苷酸細胞103。第二個實施例的方法與依據本發明的第一個實施例的方 法相同(除非容納洗滌劑容器37中不再需要洗滌劑)，其取決于當血漿容 納在第二成分容器49且閥門79關閉的時候。 一旦閥門79關閉，依據本發 明的第二個實施例的方法，閥門81打開且單核苷酸細胞103經管道65流 入第一分離流分接收容器29，其取決于活塞作用在容器23內含物上的壓力。 一旦所有的單核苷酸細胞103都離開了容器23,密度梯度介質91開始經過 通道59離開容器23。控制裝置19優選地包含軟件，其可通過測量活塞27 的位移速度并使用已知的管道57的每單位長度的容積來計算密度梯度介質 91通過管道57的流速。其可計算最后的單核苷酸細胞103和最先的密度梯 度介質91到達閥門81的時間，且在同一時間關閉閥門81 (或在該時刻之 前較短時間內)，以防止密度梯度介質91流經閥門81進入第一分離流分清 潔容器29。接著，離心機可停止且裝置21從離心室9移除做進一步處理。 在上述的本發明實施例中，僅使用了 一種類型的密度梯度介質并且其 在密度大于密度梯度介質的生物樣本成分和密度小于密度梯度介質的成分 之間形成一層。通常需要將生物體液分離成多于兩種元素(分離成兩種元 素僅需一層密度梯度介質)，因此需要使用不止一種密度梯度介質。其可優 選的通過混合實現，在不同的比例下兩種密度梯度介質具有不同的密度-密 度高的具有原始密度A而密度低的具有密度B-既可形成密度梯度介質的充 分連續梯度(其密度從A變化到B)又可以通過將原始的密度梯度介質混 合到預定比例(例如，10Q/。A與90。/。B,或50。/。A與50%B,等等)，從而實 現許多中間密度的密度梯度介質，其密度在原始高密度梯度介質A和原始低密度梯度介質B之間。
在依據本發明的第三個實施例方法中，需要使用密度梯度介質的連續 梯度。該方法與之前本發明的第一和第二個實施例中通過第一密度梯度介
質，優選第一添加劑容器43中密度最高的密度梯度介質A,和第二添加劑 容器51中第二密度最低的密度梯度介質啟動的方法不同。密度梯度介質的 梯度通過啟動攪拌器52并打開閥門73實現。打開閥門73使得密度梯度介 質A從第一添加劑容器43流入第二添加劑容器51，其中其通過攪拌器52 與密度梯度介質B混合，以形成一種帶有A和B之間中間密度的密度梯度 介質。由于中間密度梯度介質離開第二添加劑容器51流入生物體液接收容 器23，密度梯度介質A除以第二添加劑容器51中的密度梯度介質B的比 率同樣也增大。這導致大密度梯度的產生。中間密度梯度介質被引入生物 體液接收容器23。 一旦所需量的密度梯度介質被引入生物體液接收容器23 ， 則攪拌器52停滯且閥門75關閉。該方法與前述的方法有點類似，其主要 的區別是如果標準密度梯度介質被注入則生物體液的目標成分被分離成多 個層，其中密度梯度介質層將其分隔。
以上所述的實施例，其目的是描述本發明而非限制所述權利要求中所 述的權利保護范圍。
權利要求
1. 一種用于將流體處理和分離成各成分的系統，包括流體接收容器(23)，用于接收分離的流體，所述流體接收容器(23)具有圓筒壁(25)和橫截面積為AF的內孔；第一分離流分接收容器，用于接收分離的流體成分；第一容納添加劑的容器(43)，用于儲存添加劑溶液，所述第一容納添加劑的容器(43)具有圓筒壁(45)和橫截面積為AA的內孔；離心機(1)，包含至少一個離心室(9)用于接收和容納所述容器(23，43)，它們的縱向軸均指向所述離心機(1)的旋轉軸心；管道(53)及閥門(75)，用以在所述流體接收容器(23)和所述至少一個容納添加劑的容器(43)之間建立選擇性聯通；管道(57，65)和至少一個閥門(77，81)，用于在所述流體接收容器(23)和所述至少一個分離流分接收容器(29)之間建立選擇性聯通；成像裝置(11)，用于在所述系統運作時成像及產生一個代表所述容器成像的信號；控制裝置(19)，可用于接收及分析所述信號并進一步控制所述離心機(1)及所述閥門(75，77，81)的運作，以控制所述系統中的流體的流量；其中所述流體接收容器(23)具有質量為MF的可移動活塞密封接合于所述圓筒壁(25)，所述活塞(27)具有一貫穿通道(59)連接于具有管道(57，65)和所述至少一個閥門(77、81)的流體接收容器(23)的一流體接收腔(28)，以建立所述流體接收容器(23)和所述至少一個分離流分接收容器(29)之間的選擇性聯通；及所述第一容納添加劑的容器(43)具有質量為MA的可移動活塞(47)，該活塞與所述的圓筒壁(45)密封接合，其中第一容納添加劑的容器(43)中的活塞質量MA除以內孔的橫截面積AA的比率，大于流體接收容器(23)中的活塞質量MF除以內孔橫截面積AF的比率。
2. 依據權利要求1的系統，其特征在于，其具有至少一個進一步的容納添 加劑的容器(51 ),它設置于所述第一容納添加劑的容器(43)和所述流 體接收容器(23 )之間的流體通道中。
3. 依據權利要求2的系統，其特征在于，至少一個所述容納添加劑的容器(51)中的至少一個容器帶有一個攪拌裝置(52)。
4. 依據以上任一權利要求的系統，其特征在于，其包含了第二分離流分接 收容器(49)，它選擇性的連接到流體接收腔(28)。
5. 依據以上任一權利要求的系統，其特征在于，其具有一分離流分清潔容 器(31)，該容器含有一圓筒壁(33)和橫截面積為AS的內孔，其中容 納有質量為MS的可移動活塞(35)密封相連于所述圓筒壁，活塞(35) 與容器(31 )基底(32)之間的內孔容積形成了一個腔(34)，容納洗滌 液的容器(37)具有一圓筒壁(39)及橫截面積為AB的內孔，其中容 納有一個質量為MB可移動的活塞(41)密封接合于所述圓筒壁(39), 活塞(41 )與容器(37 )基底(38 )之間的內孔容積形成了 一個腔(40 ), 其中所述容納洗滌液的容器(37)中的活塞質量MB除以內孔的一黃截面 積AB的比率，大于分離流分清潔容器(31 )中的活塞質量MS除以內 孔的橫截面積AS的比率；而且所述流體接收容器(23 )中的活塞質量MF除以內孔的橫截面積AF 的比率，大于分離流分清潔容器(31 )中的活塞質量MS除以內孔的橫 截面積AS的比率。
6. —種收集各流體成分的裝置(21)，包括一流體接收容器(23)，用于接 收將要分離的流體，所述流體接收容器(23)包含一圓筒壁(25)和一 才黃截面積為AF的內孔；第一分離流分接收容器(29)，用于接收分離的流體成分； 管道(53)及閥門(75)，用于在所述流體接收容器(23)及所述至少一 個容納添加劑的容器(43)之間建立選擇性聯通；管道(57， 65)和至少一個閥門(75、 81)，用于在所述流體接收容器(23 ) 和所述至少一個分離流分接收容器(29)之間建立選擇性聯通； 其中所述流體接收容器(23)具有一質量為MF的可移動活塞(27)密 封接合于所述圓筒壁(25),所述活塞(27)包含一貫穿通道(59),它 連接于具有管道(57， 65)和所述至少一個閥門(77， 81)的所述流體 接收容器(23)的流體接收腔(28)，用于在所述流體接收容器(23)和 所述至少一個分離流分接收容器(29)之間建立選擇性聯通；并且 所述第一容納添加劑的容器(43 )包含一質量為MA的可移動活塞(47) 密封接合于所述圓筒壁(45)，其中第一容納添加劑的容器(43)中的活 塞質量MA除以內孔的橫截面積AA的比率，大于流體接收容器(23 ) 中的活塞質量MF除以內孔的橫截面積AF的比率。
7. 依據權利要求6的裝置，其特征在于，其具有至少一個進一步的容納添 加劑的容器(51 )，它是設置于所述第一容納添加劑的容器(43)和所述流體接收容器(23)之間的流體通道中。
8. 依據權利要求6或7的裝置，其特征在于，至少一個所述容納添加劑的 容器(51)中的至少一個容器具有一個攪拌裝置(52)。
9. 依據權利要求6-8中任一項的裝置，其特征在于，其包含第二分離流分 接收容器(49 )，它是選擇性的連接到流體接收腔(28 )。
10. 依據權利要求6-9中任一項的裝置，其特征在于，其包含一個具有圓筒 壁(33)和橫截面積為AS的內孔的分離流分清潔容器(31),內孔中容 納有一質量為MS的可移動活塞(35)密封接合于所述圓筒壁，活塞(35) 和容器(31 )的基底(32)之間的內孔容積形成了一個腔(34)，而容納 洗滌液的容器(37)具有一個圓筒壁(39)，橫截面積AB的內孔包含一 質量為MB可移動的活塞(41 )密封接合于所述圓筒壁(39)，活塞(41 ) 與容器(37)基底(38)之間的內孔容積形成了一個腔(40)，其中所述 容納洗滌液的容器(37)中的活塞質量MB除以內孔的橫截面積AB的 比率，大于分離流分清潔容器(31)中的活塞質量MS除以內孔的橫截 面積AS的比率；而且所述流體接收容器(23 )中的活塞質量MF除以內孔的橫截面積AF 的比率，大于分離流分清潔容器(31 )中的活塞質量MS除以內孔的橫 截面積AS的比率。
全文摘要
本發明涉及一種分離流體成分的離心機所使用的系統，及用于該系統的包含容器(23，29，31，39，43)和管道(53，57，65)的裝置(21)。流體在離心過濾過程中，通過容器中的活塞(27，33，35，47)從一個容器轉移到另一個容器。活塞質量除以各活塞所處的容器的橫截面積所得的比率根據各活塞(27，33，35，47)而各不相同。在離心分離過程中，流體可從活塞與橫截面積的比率較高的容器轉移到活塞與橫截面積的比率較低的容器。
文檔編號B04B5/04GK101432077SQ200780015160
公開日2009年5月13日 申請日期2007年4月23日 優先權日2006年4月28日
發明者L·安德森 申請人:通用電氣健康護理生物科學股份公司