CN102796662A - 一种全自动细胞处理装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动细胞处理装置，其包括第一通路和第二通路；第一通路为由第一封闭容器、第二封闭容器、开关装置、流量控制装置连成的单向通路；第二通路为由第二封闭容器、三个端口的超滤器、开关装置、流量控制装置组成的闭合回路以及由超滤器、第三封闭容器、开关装置、流量控制装置组成的单向通路。本发明提供装置的最大优点在于，整个洗涤过程能自动控制，无需专人值守，而且整个管路系统为全封闭式，杜绝了污染。

Description

一种全自动细胞处理装置及其应用

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，特别涉及一种全自动细胞处理装置及其应用。

背景技术

为了救治危重病人，临床医学领域经常需要做细胞、组织或器官的移植，如输血、角膜移植、肾脏移植等。而移植之前，往往需要对其进行低温保存，特别是长期低温冷冻保存。

细胞低温保存前，需加入低温保护剂，以尽量减少低温损伤；而临床使用前，复温融解后的细胞，必须经过洗涤，去除其中的低温保护剂，以免对病人产生毒副作用。

传统的去除低温保护剂方法为离心法，近年来，人们又发展出了透析法。

离心法去除低温保护剂的主要过程如下：(1)配置不同渗透压的高渗盐水溶液；(2)将这些高渗盐水溶液一步或多步加到含低温保护剂的细胞悬浮液中，由于细胞膜两侧的渗透压的差别，将细胞内的低温保护剂逐步置换出来；(3)通过离心使溶液分层，将含有低温保护剂的上清液取走。

透析法去除低温保护剂的主要步骤：(1)让含有低温保护剂的细胞悬浮液由上而下地流过透析器的中空纤维膜管；(2)清洗液(不含低温保护剂)按照相反方流过透析器内中空纤维管外的空间，由于纤维管壁内外低温保护剂的浓度差(内高外低)，低温保护剂就会不断地扩散到膜外，并随着清洗液不断地流到废液袋中，从而达到洗涤细胞的目的。

然而上述两种去除低温保护剂的方法都存在一些不足之处：

离心法去除低温保护剂过程操作比较复杂，耗时费力。由于需要机械离心，对细胞的损伤比较大；而且整个洗涤过程在开放环境中进行，容易引发污染或细菌感染；整个过程需要手工操作，耗费人力。透析法可保证整个洗涤过程在一个密闭的环境中进行，但是要消耗较多清洗液，效率较低；此外，由于透析法需要用到透析器或血浆分离器，无法处理少量样品。

无论对于透析器或者血浆分离器，其内部都是由大量中空纤维构成。由于各个纤维之间的间隔不均匀和不一致，透析器或者血浆分离器具有分配不均的透析液流。停滞流的面积和展开分流的面积剧烈地降低了透析液一侧的物质转移效率。各个纤维之间的间隔通常很小，因此扩散就是纤维内部空间中物质转移的重要机理。由于中空纤维透析器的固有物理特性，扩散的改进以及由此而来的透析液利用率的改进都是有限的。此外，整个洗涤过程需要消耗大量的清洗液。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足之处，本发明的目的是设计一种全自动细胞处理装置，用于去除低温保护剂或其他有害物质。

本发明的另一目的在于提供一种全自动细胞处理装置在生物医学或临床医学中的应用。

为了实现本发明的目的，本发明的技术方案是提供一种全自动细胞处理装置，其包括第一通路和第二通路；

第一通路，包括第一封闭容器、第二封闭容器、开关装置、流量控制装置，所述第一封闭容器和第二封闭容器之间通过导管依次与开关装置、流量控制装置连成单向通路；

第二通路，包括第二封闭容器、三个端口的超滤器、第三封闭容器、开关装置、流量控制装置，

其中，第二封闭容器通过导管与超滤器的两个端口组成闭合回路，第二封闭容器与超滤器的两个端口之间分别串联有开关装置、流量控制装置；

所述超滤器的第三个端口经导管与第三封闭容器连成单向通路，超滤器与第三封闭容器之间依次连接有开关装置、流量控制装置。

优选地，所述开关装置为电子阀门，所述流量控制装置为蠕动泵。

进一步地，所述全自动细胞处理装置还包括三通，所述三通连接第一通路和第二通路；所述第一封闭容器依次与第一电子阀门、三通、第二电子阀门、第一蠕动泵、第二封闭容器连成单向通路。

进一步地，所述全自动细胞处理装置还包括气泡收集器；所述第二封闭容器通过导管依次与第一蠕动泵、第二电子阀门、三通、第三电子阀门、超滤器、第二蠕动泵、气泡收集器、第四电子阀门组成闭合回路。

进一步地，所述全自动细胞处理装置还包括激光折射浓度计；所述超滤器的第三个端口经导管依次与第五电子阀门、第三蠕动泵、第三封闭容器连成单向通路；所述激光折射浓度计夹持于第三蠕动泵和第三封闭容器之间的导管上。

进一步地，所述全自动细胞处理装置还包括可称量装置；所述第二封闭容器和第三封闭容器分别放置于可称量装置上。

激光折射浓度计用于非入侵、实时在线测定细胞外溶液中低温保护剂的浓度。如，根据《全血及成分血质量要求（GB18469-2012）》，使用甘油作为低温保护剂冻存的红细胞，经洗涤后要求细胞外溶液中残余甘油含量低于10g/L，游离血红蛋白含量低于1g/L。因此，通过使用折射浓度计实时监测甘油浓度和游离血红蛋白浓度，可确保洗涤后的产品符合临床用血的标准。

电子阀门：可选美国Cole-Parmer公司的Two-way normally closed 1/1612VDC电磁电动阀。

蠕动泵：可选河北保定兰格恒流泵有限公司的BT100-2J或BQ50-1J型号。

三通：可选用德国贝朗医用三通409511CN，或江苏正康医疗器械有限公司的一次性医用三通阀，或天津塑料研究所的三连通等。

本发明所用医用三通是跟管路一体化做成耗材，可委托具有生产资质的厂家生产（拿到SFDA的批号）。医用耗材管路中用于连接的三通一般没有单独的型号。

其中，所述超滤器是由多个超滤单元叠加而成的微流控芯片超滤器。

所述微流控芯片超滤器的超滤单元上设有贯通超滤单元的三个端口，所述超滤单元是由微流体通道上层和微流体通道下层对接封装而成；

所述微流体通道上层的内表面设有多条平行的微通道和1条与微通道垂直的汇流通道，所述微通道的一端连通至汇流通道，所述汇流通道与超滤器的一个端口相通；

所述微流体通道下层的内表面设有多条平行的微通道，所述微通道的两端分别设有与微通道贯通并垂直设置的汇流通道，所述两条汇流通道分别与超滤器的两个端口相通；

所述微流体通道上层的微通道与微流体通道下层的微通道垂直设置，两者纵横交错，形成微流体微通道网络。

所述超滤单元微流体通道的材料选自聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺或聚甲基丙烯酸甲脂或聚对二甲苯或聚四氟乙烯中的一种或几种。

优选地，所述微流体通道上层的微通道和汇流通道优选为矩形或半圆形微通道；更优选地，所述矩形微通道宽0.2～2μm，深0.2～2μm，长1~20cm；所述半圆形通道，直径为0.2~2um，长度为1~20cm；所述矩形汇流通道宽0.2~2mm，深0.2~2mm，长1～50cm；所述半圆形汇流通道直径为0.2～2mm，长度为1～50cm。

优选地，所述微流体通道下层的微通道和汇流通道优选为矩形或半圆形微通道；更优选地，所述矩形微通道宽10～1000μm，深10～1000μm，长1~50cm；所述半圆形通道，直径为10~1000um，长度为1~50cm；所述矩形汇流通道宽0.1~2mm，深0.1~2mm，长1～20cm；所述半圆形汇流通道直径为0.1～2mm，长度为1～20cm。

更优选地，所述微流体通道上层的微通道和汇流通道优选为矩形或半圆形微通道；所述矩形微通道宽1μm，深1μm，长4cm；所述半圆形通道，直径为1um，所述通道长度为4cm；所述矩形汇流通道宽1mm，深1mm，长8cm；所述半圆形汇流通道直径为1mm，长度为8cm。

更优选地，所述微流体通道下层的微通道和汇流通道优选为矩形或半圆形微通道；所述矩形微通道宽15μm，深15μm，长8cm；所述半圆形通道，直径为15um，长度为8cm；所述矩形汇流通道宽1mm，深1mm，长4cm；所述半圆形汇流通道直径为1mm，长度为4cm。

进一步地，本发明提供了基于微流控芯片的全自动细胞处理装置在生物医学或临床医学中的应用。

所述应用主要为临床输血中的细胞纯化、浓缩或稀释。

本发明的有益效果为：

1）细胞处理过程完全自动控制，无需专人值守；整套管路是封闭系统，无污染。

2）管路中串有气泡收集器，无需专门的预填充过程，系统可自动消除管路中的气体。

3）基于超滤实现低温保护剂的添加或去除，或血浆分离，相对于透析法而言，效率更高，所用清洗液更少。

4）本发明所述细胞处理装置可处理的样品的体积为几毫升～几百毫升。本发明所述微流控芯片超滤器由相对独立的超滤单元叠加封装而成，且超滤单元具有不同尺寸规格，因此整个超滤器既可处理极少量样品，如几毫升，又可处理较大体积样品，如几百毫升。

6）超滤量和超滤流速精确可控。

7)由于使用微电脑采液控制器对细胞悬浮液袋进行摇摆和称重，既可强化细胞悬浮液与另外一种溶液的混匀效率，又可精确控制混合的溶液质量比例。

8)所述全自动细胞处理装置体积小、成本低、操作方便、适于推广。

附图说明

图1是本发明实施例提供的全自动细胞处理装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的微流控芯片超滤器的超滤单元的微流体通道上层的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的微流控芯片超滤器的超滤单元的微流体通道下层的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的微流控芯片超滤器的超滤单元的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的微流控芯片超滤器的超滤单元的A-A横截面的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的微流控芯片超滤器的超滤单元的B-B横截面的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的微流控芯片超滤器的结构示意图。

图中标示如下：

第一封闭容器-1，第一电子阀门-2，三通-3，第二电子阀门-4，第一蠕动泵-5，第二封闭容器-6，微电脑采液控制器-7，第四电子阀门-8，气泡收集器-9，第二蠕动泵29，超滤器-10，第三电子阀门-11，第五电子阀门-12，第三蠕动泵-13，第三封闭容器-14，电子秤-15，超滤单元的三个端口-16、17、18，超滤单元-19，微流体通道上层20，微流体通道下层21，微流体通道上层的内表层上的微通道-22，微流体通道上层的内表层上的汇流通道-23，微流体通道下层的内表层上的微通道-24，微流体通道下层的内表层上的微通道-25、26，微流控芯片超滤器-27，激光折射浓度计-28，第二蠕动泵-29。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所得到的所有实施例都属于本发明的保护范围。

在一优选实施例中，如图1所示，一种全自动细胞处理装置其包括第一通路和第二通路；

第一通路，包括第一封闭容器1、第二封闭容器6、2个电子阀门、1个蠕动泵，所述第一封闭容器1通过导管依次与第一电子阀门2、三通3、第二电子阀门4、第一蠕动泵5、第二封闭容器6连成单向通路；

第二通路，包括第二封闭容器6、三个端口的超滤器10、第三封闭容器14、4个电子阀门、3个蠕动泵，所述第二封闭容器6通过导管依次与第一蠕动泵5、第二电子阀门4、三通3、第三电子阀门11、超滤器10、第二蠕动泵29、气泡收集器9、第四电子阀门8组成闭合回路；所述超滤器10的第三个端口经导管依次与第五电子阀门12、第三蠕动泵13、第三封闭容器14连成单向通路；

所述激光折射浓度计28位于第三蠕动泵13和第三封闭容器14之间的导管上；

所述第二封闭容器6放置于微电脑采液控制器7上；所述第三封闭容器14放置于电子秤15上。

使用微电脑采液控制器7对细胞悬浮液袋6中的细胞悬浮液和新进入的溶液进行混匀和称重，使用电子秤15对输液袋14中的溶液进行称重。

在一优选实施例中，所述第一封闭容器和第三封闭容器为输液袋1和14，所述第二封闭容器为细胞悬浮液袋6。

在一优选实施例中，所述超滤器10是由多个超滤单元19（图4）叠加而成的微流控芯片超滤器27（图7）。

所述微流控芯片超滤器27的超滤单元19上设有贯通超滤单元的三个端口16、17、18，所述超滤单元19是由微流体通道上层20（图2）和微流体通道下层21（图3）对接封装而成；

如图2所示，所述微流体通道上层20的内表面设有多条平行的微通道22和1条与微通道垂直的汇流通道23，所述微通道22的一端连通至汇流通道23，所述汇流通道23与超滤器10的一个端口18相通；

如图3所示，所述微流体通道下层21的内表面设有多条平行的微通道24，所述微通道24的两端分别设有与微通道24贯通并垂直设置的汇流通道25、26，所述两条汇流通道25、26分别与超滤器10的两个端口16、17相通；具体的，所述汇流通道25与超滤器10的端口16连通(图3)，所述汇流通道26与超滤器10的端口17连通(图3)。

所述微流体通道上层的微通道22与微流体通道下层的微通道24垂直设置，两者纵横交错，形成微流体微通道网络。

所述超滤单元微流体通道的材料为聚二甲基硅氧烷。

在一优选实施例中，所述微流体通道上层20的内表面加工有一簇平行的微通道22(图2)，所述微通道为矩形通道，宽1μm，深1μm,长4cm。所述微通道22的一端连通至汇流通道23(图2),所述汇流通道23为矩形通道，宽1mm，深1mm,长8cm。所述汇流通道23与超滤器10的端口18(图2)相连通。

所述微流体通道下层21的内表面加工有一簇平行的微通道24(图3)，所述微通道为矩形通道，宽15μm，深15μm,长8cm。所述微通道24的一端连通至汇流通道25(图3)，另一端连通至汇流通道26(图3)，所述汇流通道25和26均为矩形通道，宽1mm，深1mm,长4cm。所述汇流通道25与超滤器10的端口16连通(图3)，所述汇流通道26与超滤器10的端口17连通(图3)。

细胞悬浮液或全血在微通道24中流动，而血浆或低温保护剂溶液可通过微通道22超滤至端口18。

在一具体实施例中，基于微流控芯片的全自动细胞处理装置的工作过程如下：

关闭第三电子阀门11、第四电子阀门8、和第五电子阀门12，关闭第二蠕动泵29和第三蠕动泵13，同时打开第一电子阀门2和第二电子阀门4，通过第一蠕动泵5可控制输液袋1中的溶液进入细胞悬浮液袋6中的流速，通常设置在20-400ml/min；通过微电脑采液控制器7可控制输液袋1中的溶液进入细胞悬浮液袋6中的质量。

关闭第一电子阀门2，打开第三电子阀门11、第四电子阀门8、和第五电子阀门12，通过第一蠕动泵5控制细胞悬浮液袋6中的细胞悬浮液在进入的超滤器27的端口17的流速，通常设置在20-400ml/min；通过第三蠕动泵13可控制流出超滤器27的端口18的液体流速，通常设置在20-400ml/min；通过电子秤15可控制进入或流出超滤器27的端口18的溶液的质量。第一蠕动泵的流速为第三蠕动泵13的流速和第二蠕动泵29的流速之和，以保证整个管路系统的压力稳定。

实施例1：本实施例说明如何利用本发明完成去除复温后的冰冻红细胞悬浮液中的甘油，即洗涤细胞的过程。本实施例所用的材料的安装方式如图1所示。输液袋1中盛装1000ml生理盐水，细胞悬浮液袋6中盛装200ml复温后的冰冻红细胞悬浮液（甘油浓度为40%(w/v)）。超滤器10为本发明提出的微流控芯片超滤器27。

第一步：混合稀释。关闭第三电子阀门11、第四电子阀门8、和第五电子阀门12，关闭蠕动泵13、29，打开微电脑采液控制器7，打开第一电子阀门2和第二电子阀门4，打开第一蠕动泵5，通过第一蠕动泵5控制输液袋1中的生理盐水流入到细胞悬浮液袋6中的流速为100ml/min，通过微电脑采液控制器7控制注入细胞悬浮液袋6中生理盐水的质量约为100g（体积约为100ml），然后关闭第一蠕动泵5，同时关闭电子阀门2。

第二步：超滤。打开第三电子阀门11和第四电子阀门8，再次打开第一蠕动泵5，另其反转，并打开第二蠕动泵29，设定第一蠕动泵5和第二蠕动泵29的流速均为120ml/min，从而控制流入超滤器27的端口17的细胞悬浮液流速为120ml/min，等待10s，待整个管路中的气体通过气泡收集器9被排净后，立刻改变第一蠕动泵5的流速为100ml/min，同时改变第二蠕动泵29的流速为50ml/min，且同时打开第五电子阀门12，并打开第三蠕动泵13，控制流出超滤器27的端口18的超滤液的流速为50ml/min，通过电子秤15控制流入输液袋14中的超滤液为100g(体积约为100ml)，完成一次稀释混合-超滤过程。

第三步：重复上述步骤一、二，从而完成多次稀释混合-超滤过程。通过激光折射浓度计28读取流出超滤器27的端口18的超滤液中残余甘油含量低于10g/L、游离血红蛋白的含量低于1g/L时，完成洗涤过程。实验表明，经8次稀释混合-超滤过程（耗时约25分钟），残余甘油含量低于3g/L，游离血红蛋白的含量低于0.2g/L，红细胞回收率大于91%，红细胞变形指数(ID)大于0.5。

第四步：细胞悬浮液回收。关闭第五电子阀门12，同时关闭第三蠕动泵13，打开第一电子阀门2、第二电子阀门4、第4电子阀门8和第3电子阀门11，同时打开第一蠕动泵5和第二蠕动泵29，控制第一蠕动泵5和第二蠕动泵29的流速，抽取输液袋1中的生理盐水将左侧和右侧管路中的细胞悬浮液缓慢压入细胞悬浮液袋6，完成细胞回收。然后同时关闭所有的阀门和蠕动泵，完成整个洗涤过程。

第五步：热合断离细胞悬浮液袋。将细胞悬浮液袋6与第一蠕动泵5之间的导管，以及细胞悬浮液袋6与第四电子阀门8之间的导管分别热合断离，将细胞悬浮液袋从管路上取下，即可临床使用。

实施例2：本实施例说明如何利用本发明添加甘油至红细胞悬浮液，控制甘油终浓度为40%(w/v)。输液袋1中盛装200ml浓度为80%(w/v)的甘油水溶液，细胞悬浮液袋6中盛装200ml红细胞悬浮液。初始状态时，所有的电子阀门、蠕动泵均处于关闭状态。

第一步：红细胞悬浮液的浓缩。打开第二电子阀门4、第四电子阀门8和第三电子阀门11，打开第一蠕动泵5和第二蠕动泵29，设定第一蠕动泵5和第二蠕动泵29的流速均为120ml/min，从而控制流入超滤器27的端口17的细胞悬浮液流速为120ml/min，等待10s，待整个管路中的气体通过气泡收集器9被排净后，立刻改变第一蠕动泵5的流速为100ml/min，同时改变第二蠕动泵29的流速为50ml/min，且同时打开第五电子阀门12，并打开第三蠕动泵13，控制流出超滤器27的端口18的超滤液的流速为50ml/min，通过电子秤15控制流入输液袋14中的超滤液为100g(体积约为100ml)，完成红细胞悬液的浓缩过程。关闭所有的电子阀门和蠕动泵。

第二步：低温保护剂溶液与细胞悬浮液的混合。打开第一电子阀门2和第二电子阀门4，打开微电脑采液控制器7，并设置第一蠕动泵5转速为20ml/min，将输液袋1中的80%(w/v)的甘油水溶液缓慢泵入细胞悬浮液袋6。通过微电脑采液控制器7控制注入细胞悬浮液袋6中的80%(w/v)的甘油水溶液的质量约为100g（体积约为100ml），然后关闭蠕动泵5，同时关闭第一电子阀门2和第二电子阀门4。

第三步：热合断离细胞悬浮液袋。将细胞悬浮液袋6与第一蠕动泵5之间的导管，以及细胞悬浮液袋6与第四电子阀门8之间的导管分别热合断离，将细胞悬浮液袋从管路上取下，即可进行将其转移至-80度冰箱进行低温保存。

Claims (10)

1.一种全自动细胞处理装置，其包括第一通路和第二通路；

第一通路，包括第一封闭容器、第二封闭容器、开关装置、流量控制装置，所述第一封闭容器和第二封闭容器之间通过导管依次与开关装置、流量控制装置连成单向通路；

第二通路，包括第二封闭容器、三个端口的超滤器、第三封闭容器、开关装置、流量控制装置，

其中，第二封闭容器通过导管与超滤器的两个端口组成闭合回路，第二封闭容器与超滤器的两个端口之间分别串联有开关装置、流量控制装置；

所述超滤器的第三个端口经导管与第三封闭容器连成单向通路，超滤器与第三封闭容器之间依次连接有开关装置、流量控制装置。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述开关装置为电子阀门，所述流量控制装置为蠕动泵。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括三通，气泡收集器，激光折射浓度计，可称量装置；

所述第一封闭容器通过导管依次与第一电子阀门、三通、第二电子阀门、第一蠕动泵、第二封闭容器连成单向通路；所述第二封闭容器通过导管依次与第一蠕动泵、第二电子阀门、三通、第三电子阀门、超滤器、第二蠕动泵、气泡收集器、第四电子阀门组成闭合回路；

所述超滤器的第三个端口经导管依次与第五电子阀门、第三蠕动泵、第三封闭容器连成单向通路；所述激光折射浓度计夹持于第三蠕动泵和第三封闭容器之间的导管上；

所述第二封闭容器和第三封闭容器分别放置于可称量装置上。

4.根据权利要求1~3任意一项所述的装置，其特征在于，所述超滤器是由多个超滤单元叠加而成的微流控芯片超滤器。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述微流控芯片超滤器的超滤单元上设有贯通超滤单元的三个端口，所述超滤单元是由微流体通道上层和微流体通道下层对接封装而成；

所述微流体通道上层的内表面设有多条平行的微通道和1条与微通道垂直的汇流通道，所述微通道的一端连通至汇流通道，所述汇流通道与超滤器的一个端口相通；

所述微流体通道下层的内表面设有多条平行的微通道，所述微通道的两端分别设有与微通道贯通并垂直设置的汇流通道，所述两条汇流通道分别与超滤器的两个端口相通；

所述微流体通道上层的微通道与微流体通道下层的微通道垂直设置，两者纵横交错，形成微流体微通道网络。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述微流体通道上层的微通道和汇流通道为矩形或半圆形微通道；优选地，所述矩形微通道宽0.2～2μm，深0.2～2μm，长1~20cm；所述半圆形通道，直径为0.2~2um，长度为1~20cm；所述矩形汇流通道宽0.2~2mm，深0.2~2mm，长1～50cm；所述半圆形汇流通道直径为0.2～2mm，长度为1～50cm。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述微流体通道下层的微通道和汇流通道为矩形或半圆形微通道；优选地，所述矩形微通道宽10～1000μm，深10～1000μm，长1～50cm；所述半圆形通道，直径为10~1000um，长度为1~50cm；所述矩形汇流通道宽0.1~2mm，深0.1~2mm，长1～20cm；所述半圆形汇流通道直径为0.1～2mm，长度为1～20cm。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述超滤单元微流体通道的材料选自聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺或聚甲基丙烯酸甲脂或聚对二甲苯或聚四氟乙烯中的一种或几种。

9.权利要求1~8任意一项所述的装置在生物医学或临床医学中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用为临床输血中的细胞纯化、浓缩或稀释。

Images