CN108778472B - 可调纳米纤维过滤介质和过滤器装置 - Google Patents

Abstract

一种可调纳米纤维过滤器装置可以包括：限定内部空间的过滤器壳体，该壳体具有限定在其中的入口和出口，各自都与内部空间流体连通；以及设置在内部空间内的多个过滤薄层5100，每个过滤薄层100包括上表面104、下表面106和限定为穿过其中的孔120。多个过滤薄层可以布置在堆叠体中，其中相邻过滤薄层的相对表面限定在相对表面之间延伸的层间流动空间的一部分。流动空间可以与相应的相邻过滤薄层的孔流体连通以形成从入口延伸穿过薄层堆叠体到出口的连续流动通路。阵列纳米纤维605可以从每个过滤薄层的一部分延伸到流动通路中，使得流过流动通路的流体流过所述阵列的一部分。

Description

可调纳米纤维过滤介质和过滤器装置

技术领域

本发明一般涉及过滤介质和过滤器装置，并且更具体地涉及如下过滤介质和过滤器装置，其组合用户定义的纳米纤维阵列和模块化薄层的层以形成具有专用于一种或多种预选滞留物的经调整的纳米级形貌的流动通路。

背景技术

纤维过滤介质用于各种类型的过滤器装置，以捕捉液体和气流中的大小颗粒。这种过滤介质通常由平行于过滤介质的上游面表面延伸的多层粗纤维和细纤维形成。外层粗纤维形成用于过滤较大颗粒的大体积过滤层，而内层或下层细纤维提供小颗粒的过滤。细纤维通常以铺设在支撑基材上的薄层提供，或与一个或多个保护层一起使用以获得多种益处，包括提高效率，降低初始压降，可清洁性，降低过滤介质厚度以及提供各种液体(诸如水)的不透水屏障。然而，现有方法具有若干固有的缺点，包括对支撑基材的需要，细纤维层从基材上分层的风险，所捕集颗粒对过滤器的更快加载以及细纤维平行于介质面表面排列。

在分子水平上，纤维材料还利用静电力捕获污染物，包括离子键、氢键和Van derWaals力。这些静电相互作用发生在纤维表面上。由于已知这些相互作用在亚微米长度范围内非线性增加，因此纤维过滤介质的功能改进很大程度上基于使纤度(线性质量密度或纤维直径)最小化。虽然最近在工业中已经强调了包括具有高表面体积比的非常细纤维(诸如微纤维和纳米纤维)的过滤介质的生产，但是与这种纤维的传统生产方法相关联的加工限制限制了这些材料在过滤应用中的实用性。例如，挤出的微纤维需要使用溶剂，或者可替代地，不混溶的聚合物混合以将纤维分割成亚微米级长度，而通过静电纺丝方法生产纳米纤维需要高电压(即，千伏)电场。

因此，需要改进过滤介质和过滤器装置。

发明内容

目前公开的主题克服了现有技术的一些或全部上述缺陷，这对于本领域普通技术人员在研究本文献中提供的信息之后将变得显而易见。

本文公开了用于从流体液体或气体流中过滤或分离污染物的过滤介质和装置，其并入了由分层薄层形成的流动通路，该分层薄层包括具用户定义的纳米纤维阵列和可选的纳米孔的可调形貌。本文还公开了用于透析的可调纳米纤维扩散过滤器，其具有用于第一流体和第二流体(诸如血液和透析液)的多个流动路径，其中流动路径由一个或多个独立纳米纤维阵列形成的相邻扩散区分隔开，第一流体和第二流体穿过该扩散区会合。

因此，在一个方面，本发明提供了一种过滤介质，其包括过滤薄层的组件，每个过滤薄层包括上表面、下表面、形成在其一部分上的纳米纤维阵列，以及从上表面延伸到下表面的孔，该过滤薄层以堆叠的定向布置使得孔限定延伸穿过该组件的流动通路的一部分，该纳米纤维延伸到流动通路的一部分中以形成专用于预选滞留物的经调整的纳米级形貌，使得当包含滞留物的流体流过流动通路时，所述滞留物从流体中过滤。

另一方面，本发明提供了一种过滤器装置，其包括：限定内部空间的壳体，该壳体具有限定在其中的入口和出口，该入口和出口各自都与内部空间流体连通；设置在内部空间内的多个过滤薄层，每个过滤薄层包括上表面、下表面、第一周边部分、与第一周边部分相对的第二周边部分、在第一周边部分与第二周边部分之间的中心区域，以及限定为穿过第一周边部分的孔，该多个过滤薄层布置在堆叠体中，其中：最上面的薄层的孔与入口流体连通，最下面的薄层的孔与出口流体连通，并且相邻过滤薄层的相对表面限定了在所述相对表面之间延伸的层间流动空间的一部分，流动空间与相应的相邻过滤薄层的孔流体连通以形成从入口延伸穿过薄层堆叠体到出口的连续流动通路；以及纳米纤维阵列，其从每个过滤薄层的一部分延伸到流动通路中，使得流过流动通路的流体流过所述阵列的一部分。

在又一方面，本发明提供了一种用于透析的扩散过滤器，其包括：限定内部空间的壳体，该壳体具有限定在其中的第一和第二入口以及第一和第二出口，该入口和出口与内部空间流体连通；设置在内部空间内的薄层组件，该薄层组件包括：多个过滤薄层，每个过滤薄层包括限定为穿过其中的第一和第二狭槽，以及多个间隔薄层，每个间隔薄层具有限定为穿过其中的中心孔，该过滤薄层和间隔薄层交替布置在堆叠体中，其中每个间隔薄层的中心孔在相应的相邻过滤薄层的相对表面之间限定层间空间，该层间空间与所述相邻过滤薄层的第一和第二狭槽流体连通，使得第一狭槽形成从第一入口延伸穿过堆叠体到第一出口的第一流动路径，并且第二狭槽形成从第二入口延伸穿过堆叠体到第二出口的第二流动路径；在层间空间中形成的多个扩散区，每个扩散区包括从相应的相邻过滤薄层的一部分延伸到层间空间中的纳米纤维阵列，使得纳米纤维阵列在整个层间流动空间中分开第一和第二流动路径；其中流过第一流动路径的第一流体穿过所述扩散区与流过第二流动路径的第二流体会合。

在阅读下面的附图和对优选实施例的描述之后，本领域技术人员而言将显而易见本发明的许多其它目的、优点和特征。

附图说明

图1是根据本发明形成的用于可调纳米纤维过滤器的实施例的过滤薄层的平面图。

图2是图1的过滤薄层在C-C线处的局部剖视图。

图3是图1的过滤薄层在插图A处的放大图。

图4是图1的过滤薄层的透视图。

图5是图4的过滤薄层在插图B处的放大图。

图6是根据本发明形成的用于可调纳米纤维过滤器的实施例的另一过滤薄层的透视图。

图7是图6的过滤薄层的平面图。

图8是用于可调纳米纤维过滤器的实施例的图1和图6的过滤薄层堆叠体的分解透视图。

图9是图8的经组装的薄层堆叠体的透视图。

图10是图9的薄层堆叠体的平面图。

图11A是图10的薄层堆叠体在A-A线处的局部剖视图。箭头指示流动路径。

图11B是图10的的薄层堆叠体在B-B线处的局部剖视图。箭头指示流动路径。

图12A是图10的薄层堆叠体在C-C线处的局部剖视图。

图12B是图12A的薄层堆叠体在插图A处的放大图。

图13是用于可调纳米纤维过滤器的实施例的第一(下)壳体部分的俯视透视图。

图14是图13的壳体部分的仰视透视图。

图15是图13的壳体部分的平面图。

图16是图13的壳体部分的侧视图。

图17是图15的壳体部分在A-A线处的局部剖视图。

图18是用于可调纳米纤维过滤器的实施例的第二(上)壳体部分的俯视透视图。

图19是图18的壳体部分的仰视透视图。

图20是图18的壳体部分的侧视图。

图21是图18的壳体部分的仰视平面图。

图22是图21的壳体部分在A-A线处的局部剖视图。

图23是部分组装的过滤器的实施例的透视图，示出了图13的第一(下)壳体部分，其中图9的薄层堆叠体定位在其中，用于与图18的第二(上)壳体部分组装在一起。

图24是图23的部分组装过滤器的平面图。

图25是图24的部分组装过滤器在A-A线处的局部剖视图。

图26是本文公开的可调纳米纤维过滤器的实施例的部分分解俯视透视图，示出了图23的部分组装过滤器，其中图18的上壳体部分定位成与其组装在一起。

图27是图26的过滤器的部分分解仰视透视图。

图28是图26的经组装过滤器的透视图。

图29是图28的过滤器的侧视图。

图30是图28的过滤器的平面图。

图31是图30的过滤器沿着B-B线的剖视图。箭头指示流动路径。

图32是从用于本文公开的可调纳米纤维过滤器的过滤薄层的一部分延伸的纳米纤维阵列的透视图。

图33是图32的纳米纤维阵列的平面图。

图34是图32的纳米纤维阵列的侧视图。

图35是本文公开的被限定成穿过可调纳米纤维过滤器的薄层堆叠体的流动通路的一部分的侧视图。

图36是用于可调纳米纤维过滤器的替代实施例的另一过滤薄层的平面图。

图37是图36的过滤薄层在A-A线处的局部剖视图。

图38是图36的过滤薄层在插图A处的放大图。

图39是图36的过滤薄层的透视图。

图40是图39的过滤薄层在插图B处的放大图。

图41是用于可调纳米纤维过滤器的替代实施例的另一间隔薄层的平面图。

图42是图41的间隔薄层在A-A线处的局部剖视图。

图43是用于可调纳米纤维过滤器的替代实施例的顶部间隔物薄层的透视图。

图44是用于由图36的多个过滤薄层和图41的间隔薄层形成的可调纳米纤维过滤器的替代实施例的薄层堆叠体的分解透视图。

图45是图44的组装薄层堆叠体的透视图。

图46是图45的薄层堆叠体的平面图。

图47是图46的薄层堆叠体在A-A线处的局部剖视图。箭头指示流动路径。

图48是具有经调整形貌的离散区域的过滤薄层的实施例的透视图。

图49是具有经调整形貌的离散区域的过滤薄层的另一实施例的透视图。

图50是具有经调整形貌的离散区域的过滤薄层的又一实施例的透视图。

图51是具有经调整形貌的离散区域的一对相对的过滤薄层的透视图。

图52是具有经调整形貌的离散区域的第二对相对的过滤薄层的透视图。

图53是图52的相对的过滤薄层在插图E处的放大图。

图54是图52的相对的过滤薄层在插图F处的放大图。

图55是图52的相对的过滤薄层在插图G处的放大图。

图56是图52的相对的过滤薄层在插图H处的放大图。

图57是用于具有双流动路径的可调纳米纤维过滤器的替代实施例的过滤薄层的子组件的分解透视图。实线箭头指示主要流动路径。虚线箭头指示次级流动路径。

图58是用于包括图57的两个子组件的可调纳米纤维过滤器的实施例的薄层堆叠体的下部分的分解透视图。实线箭头指示主要流动路径。虚线箭头指示次级流动路径。

图59是用于可调纳米纤维过滤器的替代实施例的薄层堆叠体的上部分的分解透视图。实线箭头指示主要流动路径。

图60是具有由图58的下薄层堆叠体部分和图59的上薄层堆叠体部分形成的双流动路径的可调纳米纤维过滤器的替代实施例的分解透视图。

图61是图60的可调纳米纤维过滤器的俯视透视图，示出了经组装薄层堆叠体被定位成组装到过滤器壳体的上半部和下半部中。

图62是图61的可调纳米纤维过滤器的仰视透视图。

图63是图60的经组装可调纳米纤维过滤器的透视图。

图64是图63的可调纳米纤维过滤器的侧视图。

图65是根据本发明形成的用于可调纳米纤维扩散过滤器的实施例的过滤薄层的透视图。

图66是图65的过滤薄层的平面图。

图67是根据本发明形成的用于可调纳米纤维扩散过滤器的实施例的间隔薄层的透视图。

图68是图67的间隔薄层的平面图。

图69是用于由图65的多个过滤薄层和图67的间隔薄层形成的可调纳米纤维透析过滤器的实施例的薄层组件的透视图。

图70是图69的薄层组件的平面图。

图71是图70的薄层组件在C-C线处的局部剖视图。

图72是用于可调纳米纤维扩散过滤器的实施例的另一过滤薄层的平面图。

图73是用于由图72的多个过滤薄层和图67的间隔薄层形成的可调纳米纤维透析过滤器的实施例的另一薄层组件的平面图。

图74是图73的薄层组件在A-A线处的局部剖视图。

图75是用于可调纳米纤维扩散过滤器的实施例的又一过滤薄层的平面图。

图76是用于由图75的多个过滤薄层和图67的间隔薄层形成的可调纳米纤维扩散过滤器的实施例的又一薄层组件的平面图。

图77是图76的薄层组件在A-A线处的局部剖视图。

图78是可调纳米纤维透析过滤器的实施例的局部分解图，示出了图69、图73和图76中的每个薄层组件被定位成用于组装到过滤器壳体的上半部和下半部中。

图79是用于可调纳米纤维扩散过滤器的另一实施例的另一过滤薄层的平面图。

图80是由图79的多个过滤薄层和图67的间隔薄层形成的薄层子组件的分解图。

图81是图80的经组装薄层子组件的透视图。

图82是图81的薄层子组件的平面图。

图83是图81的薄层子组件的另一透视图。虚线箭头指示主要和次级流动路径。

图84是可调纳米纤维扩散过滤器的一部分的分解透视图，示出了薄层堆叠体，其示出了包括图80的薄层子组件的薄层堆叠体，其准备好组装到过滤器壳体的底部。

图85A是用于可调纳米纤维扩散过滤器的另一替代实施例的过滤薄层的平面图。

图85B是图85A的过滤薄层在插图B处的放大图。

图86是图85A的过滤薄层的侧视图。

图87是与图85A的过滤薄层一起使用的间隔薄层的实施例的平面图。

图88是图87的间隔薄层的透视图。

图89是组装在图85A的过滤薄层的顶部上的间隔薄层的平面图。

图90是图89的经组装薄层的侧视图。

图91是由图85A的两个过滤薄层和图87的间隔薄层形成的薄层子组件的分解图。

图92是用于包括图91的薄层子组件的可调纳米纤维扩散过滤器的实施例的壳体的上部分和下部分的透视图。

图93是由图91的多个薄层子组件和图92的过滤器壳体形成的可调纳米纤维扩散过滤器的分解图。

图94是图93的经组装过滤器的平面图。

图95是图94的过滤器的侧视图。

图96是图94的过滤器的透视图。

图97是描绘使用中的图94的过滤器的图。

图98是用于图93的可调纳米纤维扩散过滤器的替代实施例的另一过滤薄层的透视图。

图99是图98的过滤薄层的平面图。

图100是用于图93的可调纳米纤维扩散过滤器的替代实施例的薄层堆叠体的一部分的分解图。省略了间隔薄层。

图101是用于可调纳米纤维扩散过滤器的又一实施例的另一过滤薄层的透视图。

图102是图101的过滤薄层的平面图。

图103是与图101的过滤薄层一起使用的间隔薄层的透视图。

图104是图103的间隔薄层的平面图。

图105是由图103的间隔薄层和图101的过滤薄层形成的薄层子组件的透视图。

图106是图105的薄层子组件的平面图。

图107是与图101的过滤薄层一起用于薄层堆叠体中的另一过滤薄层的平面图。

图108是用于由图101的两个过滤薄层、图103的三个间隔薄层以及图107的两个过滤薄层形成的可调纳米纤维扩散过滤器的替代实施例的薄层堆叠体的分解图。为了清晰起见，省略了间隔薄层。

图109是包括图108的薄层堆叠体和过滤器壳体的两个半部的可调纳米纤维扩散过滤器的实施例的分解图。

具体实施方式

执行本发明的最佳模式

本文献中阐述了目前公开的主题的一个或多个实施例的细节。在研究了本文提供的信息之后，本领域的普通技术人员将显而易见对本文献中描述的实施例和其它实施例的修改。本文献中提供的信息，特别是所描述的示例性实施例的具体细节，主要是为了清楚理解而提供，并且不需要从中理解不必要的限制。如有冲突，本文献的说明书(包括定义)将进行支配。

本发明涉及用于从流体流中去除污染物的过滤器装置。在一般实施例中，本文公开的可调纳米纤维过滤器被设计成使用一个或多个用户定义的纳米纤维阵列从流体流中过滤预选物质或污染物，例如在U.S.2013/0216779中描述的那些纳米纤维，其整体以引用方式并入本文中。

虽然本文使用的术语被认为是本领域普通技术人员很好理解的，但是在本文阐述了定义以便于解释本文公开的主题。

除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本文公开的主题所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。虽然在本文公开的主题的实践或测试中可以使用与本文描述的那些相似或等同的任何方法、装置和材料，但是现在描述代表性的方法、装置和材料。

当在包括权利要求的本申请中使用时，术语“一”、“一个”和“该”是指“一个或多个”。因此，例如，对“污染物”的提及包括多个污染物颗粒等等。当在权利要求书和/或说明书中与术语“包括”一起使用时，使用词语“一”或“一个”可以表示“一个”，但是它也与“一个或多个”、“至少一个”、“一个或一个以上”的含义一致。

除非另外指明或通过进行引用的上下文明确相反暗示，否则对本发明的单数特性或限制的所有提及应包括相应的复数特性或限制，反之亦然。

除非另外指明或者通过其中进行引用组合的上下文明确相反暗示，否则如本文所用的方法或过程步骤的所有组合可以以任何顺序进行。

本发明的方法和装置(包括其部件)可以包括，由或大致由本文描述的实施例的基本元件和限制以及本文描述的或者以另外方式有用的任何另外的或可选的部件或限制组成。

除非另外指明，否则说明书和权利要求中使用的表示物理尺寸、成分量、性质(诸如反应条件)等的所有数字应理解为在所有情况下均由术语“约”修饰。因此，除非相反指明，否则本说明书和权利要求书中所述的数值参数是近似值，其可以取决于目前公开的主题试图获得的期望性质而变化。

如本文所使用的，术语“约”在指质量、重量、时间、体积、浓度、百分比或诸如长度、宽度或直径等物理尺寸的数值或量时意味着包含与指定数值或量的变动，在一些实施例中为±20％，在一些实施例中为±10％，在一些实施例中为±5％，在一些实施例中为±1％，在一些实施例中为±0.5％，并且在一些实施例中为±0.1％量，因为这类变动适合于执行所公开的方法。

如本文所使用的，范围可以表述为从“约”一个特定值，和/或到“约”另一个特定值。还应理解的是，本文公开了多个值，并且除了值本身之外，每个值还在本文中被公开为“约”为该特定值。例如，如果公开了值“10”，则还公开了“约10”。还应该理解的是，还公开了两个特定单元之间的每个单元。例如，如果公开了10和15，则还公开了11、12、13和14。

如本文所用，术语“流体”被定义为可以通过本文公开的过滤介质和过滤器装置的任何液体或气体。取决于应用，可以使用具有不同比重和粘度的多种流体以及气体和蒸气流。

如本文所使用的，术语“纳米纤维”是指针对结构的一半以上长度具有小于1000纳米的直径的纤维结构。在一些实施例中，本文公开的纳米纤维可以包括渐缩的基部和从基部延伸的相对较长的纤维部分。在这类实施例中，纤维部分具有小于1000nm的直径和大于基部长度的长度，并且基部可具有约10μm至小于1.0μm的直径。另外，在一些实施例中，基部还可具有约1.0μm至约10μm的长度，并且纤维部分可具有比基部长度大约10倍至100倍的长度。具有在约2.0μm至约10μm范围内的较大直径基部的纳米纤维最适合于其中基部必须为流体流中的纳米纤维提供刚性的应用。

在一些优选的实施方案中，适用于本文公开的可调纳米纤维过滤介质和过滤器装置的纳米纤维可具有约10μm至约100μm的总长度。因此，合适的纳米纤维还可以具有10:1至约1000:1的长径比。在一个实施例中，长径比为约10:1至约100:1。相反，本领域中已知的纳米纤维包括电纺纳米纤维、熔喷纳米纤维和微纤维衍生纳米纤维(即，在加工过程中分裂以获得亚微米直径结构的微纤维)，其通常具有范围为1,000,000：1至100,000,000：1的更大长径比。因此，本文公开的可调纳米纤维过滤介质和过滤器装置中使用的纳米纤维可以比电纺纳米纤维、熔喷纳米纤维和微纤维衍生的纳米纤维具有每单位长度约10被至约100倍的尖端。

在本文中可互换使用的相关术语“纳米纤维阵列”和“纳米纤维的阵列”共同地涉指具用户定义的物理尺寸的多个独立纳米纤维和根据用户定义的空间参数在背衬构件上整体形成并从其延伸的成分，诸如膜。在一些实施例中，本文公开的纳米纤维阵列包括纳米纤维，该纳米纤维从背衬构件的表面以与包含纳米纤维从其延伸的背衬构件的表面的平面大致垂直的角度延伸。相比之下，电纺纳米纤维、熔喷纳米纤维和微纤维衍生的纳米纤维既不是整体形成也不是从背衬构件延伸。

本文公开的纳米纤维阵列的用户可调物理特性包括纤维间距、直径(本文有时也称为“宽度”)、高度(本文有时也称为“长度”)、每单位背衬构件表面积(在本文中也称为“纤维表面积密度”)、纤维成分、纤维表面纹理和纤维纤度。例如，本文公开的过滤介质和过滤器装置中使用的纳米纤维阵列可以在每平方厘米背衬构件中包括数百万个纳米纤维，其中纤维直径、长度、间距、成分和纹理被配置为执行过滤功能。在一些实施例中，纤维表面积密度、直径、长度、间距、成分和纹理中的一个或多个被控制和优化以执行过滤功能。在某些实施例中，纳米纤维阵列可以被优化或“调整”以执行特定的过滤功能或瞄向预选的物质或特定的滞留物。在另外实施例中，设置在形成本文公开的过滤器装置的流动通路的过滤薄层的一部分上的纳米纤维阵列被配置为当流体流过流动通路时从包含物质的流体中过滤该物质。

本文公开的纳米纤维阵列当形成在背衬构件的大致平坦的表面上时可以包括以沿着任一轴线相同或不同间隔而沿着X轴和Y轴间隔开的纳米纤维。在一些实施例中，纳米纤维可以在X轴上或者可选地在Y轴上间隔约100nm至200μm或更多。在某些实施例中，纳米纤维可以在X轴和Y轴中的一个或两个上间隔约1μm至约50μm。在优选的实施例中，纳米纤维可以在X轴和Y轴中的一个或两个上间隔约2μm至约7μm。

在一些实施例中，纳米纤维阵列可以包括具有至少25μm的平均长度的纳米纤维。在某些实施例中，纳米纤维可具有约10μm至约100μm的长度。在某些实施例中，纳米纤维可具有约15μm至约60μm的长度。在示例性实施例中，纳米纤维可具有约20μm至约30μm的平均长度。在具体的实施例中，纳米纤维可具有约15.00μm、16.00μm、17.00μm、18.00μm、19.00μm、20.00μm、21.00μm、22.00μm、23.00μm、24.00μm、25.00μm、26.00μm、27.00μm、28.00μm、29.00μm、30.00μm、31.00μm、32.00μm、33.00μm、34.00μm、35.00μm、36.00μm、37.00μm、38.00μm、39.00μm、40.00μm、41.00μm、42.00μm、43.00μm、44.00μm。45.00μm、46.00μm、47.00μm、48.00μm、49.00μm、50.00μm、51.00μm、52.00μm、53.00μm、54.00μm、55.00μm、56.00μm、57.00μm、58.00μm、59.00μm或60.00μm的长度。

在一些实施例中，纳米纤维阵列可以包括具有约10nm至约1000nm的平均直径的纳米纤维。在示例性实施例中，纳米纤维可具有400nm至500nm的平均直径。在某些实施例中，纳米纤维可具有约10nm、25nm、50nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、410nm、420nm、430nm、440nm、450nm、460nm、470nm、480nm、490nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm、750nm、800nm、850nm、900nm、950nm、950nm或1000nm的平均直径。

纳米纤维背衬构件表面积密度可以在每平方厘米约25,000,000个至约100,000个纳米纤维的范围内。在一些实施例中，纳米纤维表面积密度可以在每平方厘米约25,000,000个至约2,000,000个纳米纤维的范围内。在具体的实施例中，纳米纤维表面密度是每平方厘米约6,000,000个纳米纤维。在示例性实施例中，纳米纤维表面积密度是每平方厘米约2,000,000个纳米纤维。

在一些实施例中，纳米纤维阵列可以包括具有约0.001纤度至小于1.0纤度的平均纤度的纳米纤维。在示例性实施例中，形成本文公开的纳米纤维阵列的纳米纤维可以小于一纤度，并具有范围为约50nm至约1000nm的直径。

本发明人在U.S.2013/0216779、U.S.2016/0222345和White等人的《在SiO2表面上的高纵横纳米孔的单脉冲超快激光加工(Single-pulse ultrafast-laser machining ofhigh aspect nanoholes at the surface of Si02)》，Opt.Express.16:14411-20(2008)中描述了纳米纤维阵列和用于生产适用于本文公开的过滤介质和过滤器装置的纳米纤维阵列的方法，其整体以引用方式并入本文中。使用上述方法，可以从几乎各种各样的聚合物生产具有各种机械、电和化学性质、Debye力矩、定制亲和力和功能结合部位的纳米纤维阵列，而无需使用溶剂或高压电场。

形成本文公开的纳米纤维阵列的纳米纤维可以实际上由任何热塑性聚合物、聚合物树脂或类似材料组成。合适的聚合物的非限制性实例包括聚(ε-己内酯)(PCL)、聚环氧乙烷(PEO)、聚乙烯醇(PVA)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯醇缩甲醛(PVF)、聚异戊二烯、反式(PI)、聚丙烯(PP)、低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、PIP浇铸件(PiPc)、天然PIP(PiPn)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乳酸(PLA)和聚-L-乳酸(PLLA)。应该理解的是，也可以使用两种或更多种这类聚合物的共混物。还应该理解的是，也可以使用两种或更多种这类聚合物的共混物或嵌段共聚物。例如，在一个实施例中，可以使用包括PCL-嵌段-PEO的嵌段共聚物的共混物来改变背衬构件和纳米纤维的功能。

术语“薄层”是指具有一个或多个大致平坦表面的薄的模块化结构，在该表面上可以形成纳米纤维阵列。本发明的薄层实质上可以采用任何几何形状，包括但不限于圆形、椭圆形、矩形和正方形。在每种情况下，薄层将包括中心部分，该中心部分由在薄层的中心部分与周边之间延伸的周边部分界定在所有侧面上。薄层可以由需要过滤的流体不可透过的任何合适材料形成，包括前面讨论的塑料，以及各种金属和合金，诸如不锈钢。

术语“过滤薄层”是指在其上形成纳米纤维阵列的薄层。纳米纤维阵列可以形成为过滤薄层的整体部分，或者单独形成并随后通过粘合剂或本领域已知的其它方式附着到过滤薄层的一部分。纳米纤维的阵列可以设置在过滤器的任何部分上，包括上表面或替代地，包括其下表面，使得纳米纤维从过滤薄层的该部分延伸。术语“间隔薄层”是指不包括纳米纤维或纳米孔阵列的薄层。更确切地说，间隔薄层包括一个或多个限定为穿过其一部分的孔，用于在相邻薄层的相对表面之间形成层间空间，相邻薄层可以是过滤薄层。术语“薄层堆叠体”和“薄层的堆叠体”是指以堆叠定向布置的薄层组件。薄层堆叠体包括顶部(或最上部面)薄层和底部(或最下面)薄层。

术语“层间空间”在本文中用于指在薄层堆叠体中的相邻薄层的相对表面之间形成的空腔或空间。术语“流动空间”是指有流体流过的层间空间的一部分。术语“流动通路”在本文中用于指当流体流过组件时延伸穿过包含流体的薄层组件的连续通路。例如，当限定在两个相邻薄层之间的层间流动空间与延伸穿过限定流动空间的每个薄层的一部分的孔流体连通时，形成流动通路。术语“流动路径”是指流过本文公开的薄层组件的流体流动路径。

图1至图5描绘了根据本发明形成的用于可调纳米纤维过滤器的主要过滤薄层100，过滤薄层100具有薄层厚度102、上表面104和下表面106。上表面104具有形成在其中的通道108，该通道具有通道深度110、通道宽度112和通道长度，其以通道距离114间隔开。通道108具有底面122、第一端116和第二端118。第一端116具有形成在其中的从通道108的底面122延伸到过滤薄层100的下表面106的孔120。使用具有限定在其中的多个平行通道108的过滤薄层100降低了堵塞的可能性。过滤薄层100可以配置有定位特征部130以帮助将多个过滤薄层100组装成薄层堆叠体以形成本发明的过滤器。定位特征部130可以被配置成使得过滤器中的过滤薄层100的所有上表面104都沿着预定方向定向。在一些实施例中，定位特征部130可以具有相同的形状。在其它实施例中，定位特征部130可以包括具有不同形状的主要和次级定位特征部。

图6和图7描绘了除了下文具体描述的以外，在所有方面均与过滤薄层100相同的次级过滤薄层200。次级过滤薄层200不具有在上表面204中形成的通道。

在使用中，定位至少一个主要过滤薄层100和次级过滤薄层200以组装成用于根据本发明构造的可调纳米纤维过滤器中的薄层堆叠体。例如，如图所示，如图8中所示，可以定位四个主要过滤薄层100和一个次级过滤薄层200以组装成薄层堆叠体。相邻的主要过滤薄层100可围绕延伸穿过包含薄层的平面的纵向轴线旋转180度，使得给定的主要过滤薄层100中的通道108的第一端116与相邻的主要过滤薄层100中的通道108的第二端118对齐。以这种方式，限定为穿过通道108的第一端116的孔120与每个后续主要过滤薄层100的通道108的第二端118流体连通。次级过滤薄层200可以被定向并定位在薄层堆叠体300的顶部，如图8中所示，使得次级过滤薄层200的孔220与限定在相邻的主要过滤薄层100中的通道108的第二端118对齐。

如图9至图12中所示，当组装成如图所示的薄层堆叠体300时，图8的主要过滤薄层100和次级过滤薄层200形成多个连续流动通路304，该连续流动通路从次级过滤薄层200的上表面204延伸到堆叠的最下面或底部主要过滤薄层100的下表面106，流动通路304由孔120和220(图11A和图11B)并由通路304限定。流动通路304像隧道一样在相邻的过滤薄层之间以交替方向延伸穿过薄层堆叠体300，并且由通道108的侧向相对壁(侧壁)、由通道108的底面122并且由相应的上面的相邻主要过滤薄层100或次级过滤薄层200的下表面106或206来界定。箭头指示穿过薄层堆叠体300的流动通路304的流体的流动路径。

图13至图17描绘了用于本发明的可调纳米纤维过滤器的壳体的第一(下)部分400。下壳体部分400可以具有上平坦表面402，从该上平坦表面可以突出主要定位特征部404和第二定位特征部405，该第一和第二定位特征部被配置成分别与主要过滤薄层100和次级过滤薄层200的定位特征部130和230协作接合。平坦表面402可以在其中形成凹部406，在该凹部间形成肋408。肋408界定槽410，该槽可以形成与从(下)外表面416突出的管状连接器部分414的内腔412流体连通的流动路径的一部分。槽410可以具有侧向延伸部分411，该侧向延伸部分被配置成使得当薄层堆叠体300适当地定位在下壳体部分400的上平坦表面402上时，底部主要过滤薄层100的孔120与槽410的侧向延伸部分411对齐并流体连通以允许在其间流动。下部分400还可以具有从平坦表面402轴向偏移的周向边缘420。

图18至图22描绘了用于本发明的过滤器的壳体的第二(上部)部分500。上部分500可以具有下平坦表面502，其中可以形成主要引导销凹部504，当下壳体部分400组装到上壳体部分500时，主要引导销凹部504为主要定位特征部404提供间隙。平坦表面502还可以在其中形成次级引导销凹部505，该次级引导销凹部可以具有稍大但是与次级定位特征部405互补的形状，使得当下部分400被组装到上部分500时，次级定位特征部405和引导销凹部505的协作接合提供了这些部分之间的对齐。主要引导销凹部504和次级引导销凹部505可以是相同或不同的形状，但是应该分别与主要薄层100和次级薄层200上的定位特征部130、230的形状互补。平坦表面502具有形成在其中的凹部506，在该凹部间形成肋508。肋508界定槽510，该槽形成与从(上)外表面516突出的管状连接器部分514的内腔512流体连通的流动路径。槽510具有侧向延伸部分511，该侧向延伸部分可以配置成使得当薄层堆叠体300适当定位时，次级薄层200的孔220与槽510的侧向延伸部分511对齐并流体连通以允许在其间流动。上部分500可以具有从下平坦表面502轴向偏移的周向边缘520。

第一(下)壳体400和第二(上)壳体500部分可以由一种或多种合适的不透过待通过过滤器的流体的材料形成，包括但不限于诸如铝和不锈钢之类的金属、诸如碳纤维之类的复合材料，以及诸如丙烯酸树脂或高密度和低密度聚乙烯之类的天然或合成聚合材料。

在图23至图25中，薄层堆叠体300(图9至图12中所示)位于下壳体部分400上，其中最下面的(即，底部的)主要过滤薄层100的下表面106搁置在下壳体部分400的上平坦表面402上。主要过滤薄层100和次级过滤薄层200的定位通过主要过滤薄层100和次级过滤薄层200的定位特征部130和230与下壳体部分400的主要定位特征404和次级定位特征部405的协作动作来建立。如在图25中最佳所见和先前所述，在相邻的过滤薄层之间从孔到孔向下来回延伸穿过薄层堆叠体300的流动通路304与槽410的侧向延伸部分411流体连通并且穿过其流动到下部分400的内腔412(参见图17)。

图26和图27描绘了上壳体部分500，其被定位用于组装到下部分400，并且其中的薄层堆叠体300被容纳以形成本发明的经组装的可调纳米纤维过滤器600。下壳体部分400的主要定位特征部404和次级定位特征部405与上壳体部分500的主要引导销凹部504和次级引导销凹部505对齐。然而，应该理解的是，在一些实施例中，定位特征部404和405以及在下壳体部分400和上壳体部分500上的引导销凹部504和505的定位可以分别反向，使得定位特征部404和405从第二上壳体部分500的下平坦表面502突出，并且引导销凹部504和505形成在第一下壳体部分400的上平坦表面402中。

图28至图31中描绘了本发明的经组装可调纳米纤维过滤器600的实施例。通过将下壳体部分400的周向边缘420粘合到上壳体部分500的周向边缘520，上壳体部分500可以固定到下壳体部分400。在一个实施例中，壳体部分400、500通过超声波焊接结合。在其它实施例中，壳体部分400、500通过溶剂粘合、机械紧固或本领域已知的其它连接方法结合。

如在图31中最佳地示出，薄层堆叠体300分别通过肋508和肋408压缩在上壳体部分500的下平坦表面502与下壳体部分400的上平坦表面402之间。流动路径601(由箭头指示)可以形成为从上壳体部分500的管状连接器部分514的内腔512，穿过槽510到侧向延伸部分511并由此经由次级过滤薄层200的孔220进入薄层堆叠体300，穿过如图11A和图11B中以及先前所描述的堆叠体300的流动通路304，离开最下面的主要过滤薄层100的孔120进入下壳体部分400的槽410的侧向延伸部分411，并且从槽410流到管状连接器部分414的内腔412。

现在参考图32至图34，包含在过滤器600内的主要过滤薄层100的一个或多个通道108的底面122至少部分地被一个或多个纳米纤维阵列605覆盖。如本文所使用的，术语“纳米纤维阵列”和“纳米纤维的阵列”是指从背衬构件延伸的多个独立纳米纤维602，该多个纳米纤维具有预定的纳米纤维直径603和纳米纤维高度604并以预定纳米纤维距离606间隔开，如图32至图34中所示。具有预定纳米纤维直径、高度和间距的纳米纤维阵列形成形貌。纳米纤维阵列以及形貌因此可以被调整成通过调整纳米纤维的直径、高度和间距来适合特定的应用。在一些实施例中，可以在纳米纤维阵列的背衬构件与过滤薄层部分之间施加粘合剂而将纳米纤维阵列附着到过滤薄层的一部分。在其它实施例中，可通过使用过滤薄层部分作为纳米纤维阵列整体形成于其上的背衬构件而将纳米纤维阵列附着到过滤薄层的一部分。

另外，或者在一些实施例中，如图35中所示，每个主要过滤薄层100和次级过滤薄层200的下表面106和206的一部分可以至少部分地被一个或多个纳米纤维阵列605覆盖。在一些实施例中，每个主要过滤薄层100和次级过滤薄层200的与相邻的下面的主要过滤薄层100的通道108重叠的下表面106和206的部分可以包括一个或多个纳米纤维阵列605。例如，现在参考图35以及图1至图5、图11A和图11B，描绘了包含在过滤器600中的薄层堆叠体300的流动通路304的一部分，该过滤器具有形成在主要过滤薄层100的通道108的底面122上以及相邻的主要过滤薄层100的与下面的过滤薄层100的通道108重叠的底面106上的纳米纤维602。相对的纳米纤维602被小于通道108的深度110的纳米纤维间隙608隔开。在其它实施例中，堆叠体300中每个主要薄层100和次级薄层200的整个下表面106和206可以用纳米纤维602覆盖。

可以使用可调纳米纤维过滤器600实现从待过滤流体中去除一种或多种污染物，其是通过使流体经由上壳体500的管状连接器部分514中的内腔512流入过滤器600，穿过槽510和其侧向延伸部分511进入由堆叠体300中的相邻过滤薄层100、200的通道108和底面106、206限定的纳米纤维602内衬的流动通路304中，离开流动通路304进入下壳体部分400的侧向延伸部分411和槽410，并经由下壳体400的管状连接器部分414中的内腔412流出过滤器600。

一旦流体已经流过流动路径601，取决于纳米纤维和纳米孔的配置，滞留物可留在过滤器中或从过滤器冲洗掉。可调纳米纤维过滤器可以从沿流动路径601的不同位置穿过过滤器的流体流中提取某些滞留物，从而使得提取的滞留物能够用于诊断分析以确定滞留物的各种特性。例如，可以拆开过滤器并通过比色法或其它方法分析滞留物以确定滞留物的成分。

根据本发明构造的纳米纤维过滤器可以被调整以通过选择纳米纤维直径603、高度604、距离606、间隙608和成分中的一个或多个来控制过滤特异性而从待过滤流体去除特定污染物，诸如病原体、化学污染物、生物试剂和毒性或反应性化合物。例如，可以选择纳米纤维602的高度604和通道108的深度110以控制流动通路304中相对的纤维602之间的间隙608，并且因此调整滤液的流速和可以不受阻碍地通过间隙608的颗粒的尺寸。

通过操作局部Van Der Waals力可将滞留物保留在纳米纤维上，该力可通过调整纤维材料而增强。在一些应用中，滞留物不必穿过纳米纤维，而仅需要滞留物接触一部分纤维以便保留。通道108中的流体路径的长度与间隙608的较大比例确保滞留物颗粒将因扩散而与纳米纤维602碰撞，并因此具有很多附着到纳米纤维的机会。由于尖端半径曲率总是比纤维体尖锐，因此纤维尖端的静电场强度也较高。光纤尖端的附着亲和力得到增强。间隙608消除了过滤孔隙的堵塞。惰性粒子可以自由移动穿过间隙608而不堵塞过滤器。例如，如果从血液中过滤病原体，则大的红细胞可以在10微米的间隙608内不受阻碍地移动，而纳米纤维602捕获滞留物。以这种方式，诸如图32至图34中所描绘的那些，包括独立纳米纤维的阵列602的过滤薄层提供了具有可调节形貌的过滤介质，其可以被优化以用独特方式与某些物质相互作用和/或保持某些物质，其中该物质受影响并且可以通过以下方式确定Debye力矩和Van Der Waals力的特性：纳米纤维的高度、直径、间距和组成材料以及给定物质和纳米纤维的相对电荷。

纳米纤维在阵列中的布置可以通过调整通常高反应性亚微米长度级结构的电势场和化学势场中的强梯度来影响过滤特异性和效率。在工艺长度级上控制这些梯度可以提高传输或流动的效率。然而，如果两个纳米纤维靠得很近并且势场重叠，则势场的梯度就会减小，并且纳米级形貌的优点就会减小。将纳米纤维布置成适当级和间距的纳米纤维阵列将保持纳米纤维的分离，从而优化势场梯度。

因为形成本文所述的纳米纤维阵列的每根纤维具有独立的“端部”或“尖端”，所以纳米纤维阵列中的纳米纤维尖端的非随机放置表示相对于通过其它方法诸如静电纺丝产生的纳米纤维结构的显著增强。纳米纤维的“端部”或“尖端”具有比纤维主体更强的场梯度，因为梯度随着曲率增强并且曲率在尖端处最高。因此，使用在每平方厘米薄层表面具有数百万个尖端的纳米纤维阵列的过滤器装置保持并增强了局部纤维场梯度，远远好过传统的纤维过滤介质和依赖于铺设在基板上的层状纤维垫(编织和非编织)的装置。

因此，在一个实施例中，通道108的底面122与上面的过滤薄层100、200的下表面106、206上的相对纤维的端部之间的纳米纤维间隙608可以小于通道深度110的约75％。在一些实施例中，间隙608可以小于通道深度110的约50％，或小于约30％，或甚至小于约20％。在某些实施例中，相对纳米纤维阵列的纳米纤维的端部之间的间隙608为通道深度110的约20％、19％、18％、17％、16％、15％、14％、13％、12％、11％、10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％或1％。流动通路304内的相对纳米纤维602不需要具有相同的高度604，然而，使用包含具有相同平均高度604的纳米纤维602的纳米纤维阵列605通过保持大致均匀的柔性和纤维表面积而提供更彻底、可靠且一致的过滤。例如，使用具有大致均匀高度的相对纳米纤维阵列可以保持两个阵列的一致过滤，而使用具有不同平均纳米纤维高度的相对阵列可以以这样的方式改变阵列的过滤特性：一个阵列从阵列之间流动的流体中过滤一种或多种不同污染物，具有不同高度的另一相对阵列亦如此。另外，取决于待过滤流体中包含的污染物的相关特征以及相对纳米纤维的相对高度，一个纳米纤维阵列可以充满污染物，并且在另一相对纳米纤维阵列之前停止对流体的过滤作出贡献。

可影响本文公开的可调纳米纤维过滤器的过滤特性的其它因素包括形成于过滤薄层中的通道108的尺寸。基于例如质量和体积流量、粘度以及影响其流量的给定流体的其它方面的考虑因素，可改变通道尺寸以适应任何给定流体应用的技术要求。虽然本文提供了一系列被认为实际上适用于各种应用的示例性通道尺寸，但应该理解的是，对于任何这类尺寸不存在或由此暗示的上限。例如，通道宽度112和通道长度可以是1.0米或更多。然而，随着通道宽度112增加，通过允许相邻的上面的薄层的一部分下陷到通道108中，薄层的组成材料的刚度可以开始影响通道深度的均匀性。在这种情况下，支撑结构可以根据需要定位在通道108的底面122上(例如，如图44中所示)以保持均匀的通道深度。

因此，在一些实施例中，过滤薄层通道108可具有约20μm至约1.0cm的通道深度110、约20μm至约2.0mm的通道宽度112、约1.0mm至约10cm的通道长度，以及约10μm至约500μm的通道距离114。在其它实施例中，过滤薄层通道108可具有约20μm至约500μm的通道深度110、约20μm至约2.0mm的通道宽度112、约1.0mm至约10cm的通道长度，以及约50μm至约200μm的通道距离114。在一个实施例中，过滤薄层通道108可具有约100μm的通道深度110、约200μm的通道宽度112、约10mm的通道长度，以及约100μm的通道距离114。

应该注意的是，在本文公开的可调纳米纤维过滤器的一些实施例中，通道深度110可以影响过滤的效率。例如，增加通道深度110可以将雷诺数增加到惯性力产生湍流并增强混合的点。所得涡流增加相应地增加了滞留物颗粒将接触设置在通道中的纳米纤维的可能性，并因此增加纳米纤维表面吸附这些颗粒的频率。以这种方式，过滤效率可以作为通道深度110的函数而增加直到约5.0cm的通道深度110。

在本文公开的可调纳米纤维过滤器的一些实施例中，可基于纳米纤维阵列在通道108内的放置和布置来实现过滤效率的提高。例如，相对纳米纤维阵列单独附接到通道108的底面122并且上面的过滤薄层100、200的下表面106、206处于流体边界层中。纳米纤维的布置、刚度、间距和高度因此影响边界层在纵向和横向上的性质，并以复杂的方式改变流量曲线。如上所述，使用纳米纤维阵列形成不对称的、相对的边界层轮廓可以在通道中产生剪切应力，扰乱层流并增强涡旋和混合，以提高过滤效率。相比之下，混合可以通过低雷诺数下的狭窄或浅通道来抑制，其中流动变得层状并建立有边界层。

其中待过滤的流体流过一个或多个纳米纤维阵列的系统比其中流体流过纳米纤维的系统的主要优点在于可以设计“流通”系统以防止堵塞。从工程意义上讲，“流通”系统在膜上施加压力以迫使流体通过膜。当膜堵塞阻力增加时，需要更多的工作来减少流量。在当前的流通设计中移动流体所需的工作仅仅是克服微通道中的粘滞阻力所需的力。这种阻力以及压力/流量关系在过滤器的使用寿命内不会改变。滞留物或污染物粘在纳米纤维上，并且不能阻塞间隙608。

图36至图40描绘了用于本发明的可调纳米纤维过滤器的替代实施例的另一主要过滤薄层700。除了随后具体描述的以外，主要过滤薄层700在形式和功能的所有方面都与主要过滤薄层100相同。

例如，过滤薄层700具有薄层厚度702、第一(上)平坦表面704、第二(下)平坦表面706、第一端716和第二端718。过滤薄层700还具有在形式和功能上与过滤薄层100的定位特征部130相似的定位特征部730。然而，过滤薄层700的上平坦表面704不包含存在于过滤薄层100的上表面104中的通道108。更确切地说，主要过滤薄层700具有形成在上平坦表面704上的具有突起高度742和突起直径744的多个突起740，该突起可以在几何上规则地彼此间隔开突起距离746以覆盖上平坦表面704的中心区域。主要过滤薄层700具有限定在第一端716中的单个孔720而不是过滤薄层100的多个孔120。在一些实施例中，过滤薄层700的单个孔720可以是狭槽。

图41和图42中描绘了用作可调纳米纤维过滤器的替代实施例的间隔层和密封层的间隔薄层800。具有等于过滤薄层700的突起740的突起高度742的间隔薄层厚度802的间隔薄层800可以由多种材料形成，包括任何合适的低熔点聚合物材料。定位特征部830在形式和功能上与过滤薄层100的定位特征部130相似。间隔薄层800还包括大中心孔850，该中心孔被配置成使得当间隔薄层800和主要过滤薄层700在堆叠体中对齐时，主要薄层700的孔720和突起740由间隔薄层800的大中心孔850包围。

图43描绘了用于可调纳米纤维过滤器的替代实施例的次级过滤薄层900，次级过滤薄层900在所有方面均与主要过滤薄层700相同，除了次级过滤薄层900的上平坦表面904不包括存在于主要过滤薄层700的上平坦表面704上的突起740。次级过滤薄层900具有与上平坦表面904相对的下平坦表面906(未示出)。

如图44中所示，薄层700、800和900可以组装成堆叠体1000。间隔薄层800定位在相邻的主要过滤薄层700之间，并在最上面的主要过滤薄层700与位于堆叠体1000顶部的次级过滤薄层900之间。相邻的主要过滤薄层700(仅由间隔薄层分开)可以是围绕延伸穿过堆叠体1000的垂直轴线旋转180度，使得给定主要过滤薄层的第一端716与任何相邻的主要过滤薄层700的第二端718对齐并与其接近。次级过滤薄层900可以类似地定位成使得过滤薄层900的第二端918与相邻的下面的主要过滤薄层700的第一端716重叠并且与其接近。

现在参考图45至图47中，描绘了图44中所示的薄层的组装堆叠体1000。如在图47中最佳所见，次级过滤薄层900的孔920、主要过滤薄层700的孔720和间隔薄层800的孔850一起形成连续流动通路1001，该连续流动通路以交替方向来回从次级过滤薄层900的孔920弯曲穿过堆叠体1000到最下面的(底部)主要过滤薄层700的孔720，如箭头所示。主要过滤薄层700的突起740延伸穿过每个间隔薄层的中心孔850，以分别保持下面的主要过滤薄层700的上平坦表面704与上面的主要过滤薄层700和次级过滤薄层900的相邻下平坦表面706、906之间的大致均匀的间隔，以便允许流体流动穿过限定在其间并围绕延伸穿过每个次级薄层800的孔850的突起740的流动空间。如本文先前所述，堆叠体1000的薄层可以在组装在壳体中之前一起结合在合适的夹具中。

主要过滤薄层700的上平坦表面704和下平坦表面706可以在其上形成有纳米纤维阵列，如本文先前所述和图32至图34中所描绘。可以选择或“调整”主要过滤薄层700的突起740的高度742以及间隔薄层800的厚度802以及纳米纤维的高度和间距，以选择性地确定经组装的堆叠体1000的过滤特性。

本发明的可调纳米纤维过滤器装置的过滤特性可以被配置为通过改变形成给定纳米纤维阵列的纳米纤维的各种特性(诸如长度、图案或密度)或通过使用印刷、溅射、化学气相沉积将反应物材料施加到纳米纤维上或通过选择纤维成分本身而适合专门用途。以这些方式定制纳米纤维的能力允许创建具有经专门调整的形貌的定制纳米纤维阵列，其可以在待过滤流体或多种流体暴露于纳米纤维阵列时，基于待过滤流体或多种流体的不同扩散和反应物速率来提供多种功能。例如，全血是含有许多趋化因子、信号分子、白细胞、脂蛋白、免疫球蛋白的复杂流体。一些成分可以通过大小过滤，一些通过化学过滤。有相当数量的抗体被设计成与特定蛋白质结合，这些蛋白质掺入特定区域、通道或层的纤维中而可以在一个装置中分离许多成分。过滤的特异性可以进一步受到调整穿过薄层堆叠体的流动路径中的主要过滤薄层之间的间距(即，形成穿过薄层堆叠体的流动路径的底壁和顶壁的两个薄层的上平坦表面与下平坦表面之间的距离)的影响。虽然如此，比起其它流体，使用本发明的可调纳米纤维过滤器更容易过滤一些类型的流体。例如，粘度相对较低的流体可以比粘度较高的流体更容易地过滤，因为对于较高粘度的流体，纳米纤维可以起到边界层的作用，该边界层有效地降低了流经和流过纳米纤维的流体的过滤。

在先前描述的可调纳米纤维过滤器的示例性实施例中，每个过滤薄层上的纳米纤维具有大致均匀的间距和高度。在其它实施例中，过滤薄层上的纳米纤维可以形成在离散区域中，其中每个区域内的纤维的高度、间距或高度和间隔被配置(即，调整)以完成一项或多项特定任务。例如，在某些区域中可能需要形成具有如下纳米纤维的流动通路，该纳米纤维被配置成允许流体以降低的速度穿过其移动，以允许从化学反应中发生除气。在另一种情况下，可能需要不同的特定配置的纳米纤维以更好地诱导流体以特定方式混合，以便不仅控制化学反应而且控制过程期间的热量的产生。

因此，图48描绘了具有三个离散的纳米纤维区域的顶部平坦表面的过滤薄层1110，每个纳米纤维都具有针对其特定功能而配置的其本身的独特调整形貌。第一区域1114具有第一高度的纳米纤维，区域1116具有第二高度的纳米纤维，并且区域1118具有第三高度的纳米纤维。虽然三个区域的纳米纤维之间的间距在过滤薄层1110上是恒定的，但在其它配置中，纤维之间的间距可以按区域变化。在另外其它配置中，区域内的纳米纤维的高度不是恒定的，而是以预定的方式变化以允许针对特定任务调整区域。虽然纳米纤维仅在过滤薄层1110的顶面上示出，但应理解，也可在底面上形成纳米纤维，从而流动通路的特定部分的调整由相邻过滤薄层的顶面和底面上的纳米纤维以及由过滤薄层之间的间距确定。

图49描绘了具有三个拓扑结构区域的另一个过滤薄层1120。第一区域1124具有预定高度的纳米纤维阵列1122，第二区域1126不具有纳米纤维，并且第三区域1128具有预定高度的纳米纤维阵列。虽然第一区域1124和第三区域1128的纳米纤维被描绘为具有相同的预定高度，但将理解，第一区域1124的纳米纤维1122可以具有与第三区域1128的纳米纤维不同的高度。

在图50所示的另一个过滤薄层1130中，区域1134和1139各自包括具有不同调整配置的纳米纤维阵列，并且由不具有纳米纤维的区域1136分开。相反，区域1136包括区域1137，其中形成有纳米孔阵列1138。这些纳米孔1138可以允许某些流体诸如气体垂直穿过经组装的堆叠体中的薄层的层，充当分子筛。将纳米孔阵列1137并入用于本文公开的过滤器的薄层中提供了用于从主要流动通路1001去除目标分子或颗粒(诸如有害气体或其它不想要的材料)的次级过滤路径。邻近于纳米孔区域1137(上游和下游)的纳米纤维阵列1134和1139的配置以及流动通路壁上相对于区域1137(即上方)的纳米纤维阵列的配置可以被优化(即调整)以从沿着主要流动路径通过主要流动通路的流体分离特定组分或污染物。

图51描绘了形成在相邻的过滤薄层1142与1143之间的主要流动通路的一部分1140。上过滤薄层1142和下过滤薄层1143被描绘为在每个过滤薄层的仅一个侧面上有纳米纤维阵列1144，然而这仅仅是为了说明流动通路。将理解的是，过滤薄层1142和1143每个都可以在其相对的第二表面上具有纳米纤维1144，纳米纤维与从其第一表面突出的纳米纤维对称地匹配，或者具有不同配置。上过滤薄层1142和下过滤薄层1143的相邻表面之间的距离1148是恒定的并且与给定区域中的纳米纤维1144的高度一起确定了该区域的调整和所得功能(即，过滤特异性)。流动通路部分1140分别具有第一区域1145和第二区域1146，其中每个区域中的纳米纤维1144的不同高度在流动通路1149中的纤维的相对端之间产生第一宽度和第二宽度的间隙，以及第三区域1147，其中任一薄层上的纳米纤维的高度等于过滤薄层1142、1143的相邻表面之间的空间的大约一半，使得从任一过滤薄层1142或1143延伸的相对纳米纤维之间不存在空间。在所示的该实施例中，从过滤薄层1142的下表面向下延伸并从过滤薄层1143的上表面向上延伸的纳米纤维1144对称地相对。在其它情况下，纳米纤维在过滤薄层表面上不对称地相对。

图52至他56中描绘了由过滤薄层1152的底面和过滤薄层1154的顶面形成的部分流动通路1150的另一示例。各种高度的纳米纤维1156覆盖过滤薄层1152和1154的相对表面的特定区域，该特定区域分开一段距离1158。过滤薄层1154在其中形成具有纳米孔阵列1160的区域。在图53中描绘的流动通路1150中，纳米纤维1156分别在过滤薄层1154和1152的顶面与底面之间对称地相对。每个过滤薄层上的纳米纤维1156的尖端与另一过滤薄层上的相对纳米纤维的尖端均匀间隔开。在图54所示的流动通路1150的第二部分中，纳米纤维1156从过滤薄层1152的底面延伸，而过滤薄层1152的相对的上表面区域不存在纤维。在图55所示的流动通路1150的第三部分中，流动通路的顶面具有形成在其上纳米纤维阵列1156，并且流动通路的底面(即，底部薄层的上表面)具有形成在其中的纳米孔阵列1160，该纳米孔阵列被配置成从流过主要流动路径的待过滤的流体去除预定组分，并且使这种预定组分经由次级流动路径通过其中的分离通道从过滤器流出。图56描绘了流动通路1150的第四部分，其中纳米纤维1156的对称相对区域布置为在相对的纤维的端部之间没有空间。

图48至图56中描绘的示例性过滤薄层中的纳米纤维、纳米孔和流动通路的布置和配置是在本发明范围内可能的变化的说明，并不意味着可能或预期的唯一配置。由包括如本文所公开的纳米纤维和任选的纳米孔的过滤薄层形成的可调纳米纤维过滤器可以并入未在本文描绘并且仍落入本发明范围内的附加的或不同的特征和形貌。用于过滤或分离一种或多种物质与另一种液体或气态物质并且并入由包括纳米纤维、纳米孔或两者的可调形貌的分层薄层形成的流动通路的任何装置都落入本发明的范围内。

在图48至图56描绘的示例性过滤薄层中，给定薄层内的离散区域被特别配置成过滤或分离某些物质，使得由这些薄层形成的过滤器可以同时执行多个过滤和分离功能。在其它实施例中，过滤器可以形成为具有组合在薄层堆叠体中的两种或更多种配置的薄层，使得过滤器可以选择性地从穿过流动通路的待过滤液体中去除两种或更多种组分。每个薄层可以被配置用于单一功能(例如，具有调整成选择性地从待过滤液体中过滤预定组分的单个均匀纳米纤维阵列)，或者可以具有其它或附加特征，诸如图48至图56中所描绘的那些过滤薄层。

图57描绘了分别包括三级过滤薄层1302和四级过滤薄层1322以及分别包括次级间隔薄层1312和三级间隔薄层1342的薄层的子组件1300，其中任何一个可以包括在其上或其中形成经调整的纳米纤维和纳米孔形貌的表面。当一起组合成经组装的子组件1300时，这些薄层形成主要流动路径(用实线箭头指示)和次级流动路径(用虚线箭头指示)。主要流动路径通过使流体穿过如本文先前描述的具有预定拓扑结构的一个或多个纳米纤维区域来选择性地过滤待过滤的流体。次级流动路径从流体中去除足够小以经由一个或多个薄层中的一个或多个纳米孔1330区域从主要流动路径流出的组分。

子组件1300中最上面的薄层是三级过滤薄层1302，其可以具有形成在其下表面上的如本文先前公开的具有预定长度、直径和间距的纳米纤维阵列。三级过滤薄层1302的一端附近可以是形成主要流动路径的一部分的孔1304。三级过滤薄层1302还可以具有可形成次级流动路径的一部分的一个或多个侧向相对孔1306。次级间隔薄层1312可以具有可形成主要流动路径的一部分的大中心孔1314和可形成次级流动路径的一部分的侧向相对孔1316。四级过滤薄层1322可以具有可形成主要流动路径的一部分的第一孔1324以及可以形成次级流动路径的一部分的侧向相对孔1326。四级过滤薄层1322可以具有邻近于孔1324形成在其顶面上的区域1328，该区域覆盖有预定拓扑结构的纳米纤维阵列。纳米孔阵列1330可以形成在四级过滤薄层1322的中心部分中，其一端由孔1324界定，并且在任一侧由侧向孔1326限定。

由位于最上面的三级过滤薄层1302的下表面上的纳米纤维阵列、次级间隔薄层1312的中心孔1314和四级过滤薄层1322的顶面(包括其纳米纤维1328区域和纳米孔1330的中心区域)限定的主要流动路径的部分形成具有经调整形貌的流动空间，其经由四级过滤薄层1322中的纳米孔1330从主要流动路径选择性地分离预定材料的次级流和或者流体。

第三间隔薄层1342具有形成主要流动路径的一部分的第一孔1344和与次级流动路径相交的大中心孔1345，以允许通过四级过滤薄层1322的纳米孔1330的组分和流体进入次级流动路径。子组件1300中最下面的薄层是另一三级过滤薄层1302，其相对于位于子组件1300顶部的最上面的主要三级薄层1302旋转180度，并位于同一平面内，使得最上面的三级过滤薄层1302和最下面的三级过滤薄层1302的相对端重叠。如前所述，最下面的三级过滤薄层1302形成主要流动路径和次级流动路径两者的一部分。

在一些实施例中，诸如图58中所示，最下面的三级过滤薄层1302可以是另一邻近子组件1300的顶部或最上面的三级过滤薄层1302。在此类实施例中，邻近子组件1300的后续下薄层可以相对于图57中所示的子组件绕着延伸穿过堆叠体的纵向轴线旋转180度(在薄层的平面内)，使得主要流动路径1402和次级流动路径1402可以延伸穿过邻接的邻近子组件1300。下行穿过堆叠体的每个连续的邻近子组件将类似地从先前的邻接子组件旋转180度。在其它实施例中，子组件1300的最下面的三级过滤薄层1302是堆叠体中的最后的三级过滤薄层1302而不是另一邻近子组件1300的顶部或最上面的三级薄层1302。在此类实施例中，子组件1300的底部三级过滤薄层1302的底面可以在其上形成有或没有纳米纤维阵列。

图58描绘了用于本发明的可调纳米纤维过滤器的过滤堆叠体的下部1400。过滤堆叠体的下部1400由两个邻近子组件1300和过滤器壳体的底半部1410组成。实线箭头1402指示主要流动路径。虚线箭头1404指示次级流动路径。主要流动路径1402经由第一流出连接器1406离开底部壳体半部1410。次级流动路径1404经由第二流出连接器1408流出。

图59描绘了用于本发明的可调纳米纤维过滤器的过滤堆叠体的上部1200。过滤堆叠体的上部1200由具有入口连接器1203的顶部壳体半部1202、具有大中心孔的主要间隔薄层1204、主要过滤薄层1206和次级过滤薄层1208组成。主要过滤薄层1206和次级过滤薄层1208具有其上可以形成纳米纤维阵列的顶面和底面以及主要流动路径穿过的一端处的孔。主要过滤薄层1206可以具有预定配置的第一纳米纤维阵列，其被优化用于从待过滤流体中选择性地去除第一组分。次级过滤薄层1208可具有预定配置的第二纳米纤维阵列，其被优化用于从待过滤流体中选择性地去除第二组分。

将理解的是，特定的主要或次级过滤薄层的表面可以包括具有不同高度、间距和密度的不同纳米纤维区域，如先前在本文中描述和在图48至图52中描绘。实线箭头1210指示通过上堆叠体部分1200的流动路径。虽然上堆叠体部分1200被描绘为具有一系列配置成从待过滤流体中选择性地去除组分的主要和次级薄层，但是具有不同的纳米纤维配置的附加薄层可以被添加到上堆叠体部分1200以从待过滤流体中选择性地去除附加组分(诸如依次更小的分子或化合物)。过滤堆叠体的上部1200以与图44中所示的薄层堆叠体900相同的方式发挥作用。

图60描绘了本发明的可调纳米纤维过滤器1500的一个实施例的部件的分解图。过滤器1500由上堆叠体部分1200和下堆叠体部分1400形成，以便组合上堆叠体部分和下堆叠体部分的不同过滤特性，以使用具有一个过滤步骤的单个装置来选择性地去除多种组分。

图61和图62描绘了经组装的薄层堆叠体，其被定位成组装到上壳体半部1202和下壳体半部1410中。流入连接器1203、上壳体半部1202中的凹部1220、具有流入孔1510和流出孔1522的经组装薄层堆叠体、下壳体半部1410中的主要凹部1412，以及流出连接器1406一起限定主要流动路径。组装的薄层堆叠体的底部中的侧向孔1520、底部壳体半部1410中的次级凹部1414以及流出连接器1408限定次级流动路径，该次级流动路径用于通过四级过滤薄层1322中的纳米孔1330与主要流动路径分开的流体和材料(参见图57)。

图63和图64描绘了完全组装的过滤器1500。上壳体半部1202和下壳体半部1410可以通过本领域已知的方法粘合，诸如超声波焊接或其它合适的粘合方法。

在传统的透析过滤器中，血液和透析液被制成跨膜会合。然而，本发明人已经确定，本发明的可调形貌纳米纤维过滤器在形成该接口方面更加有效。另外，在某些实施例中，本文公开的形成于过滤薄层上的纳米纤维阵列可以进一步用一种或多种涂层或其它处理进行功能化，以便克服与传统膜交换相关的一些缺陷。这种功能化可以包括但不限于，在与透析液会合之前，用一种或多种可清洁血液的元素或化合物(例如，通过从血液中去除钠)涂覆纳米纤维，从而有效地增加透析过程的过滤部分的效率使其超过使用传统透析系统的可能性。因此，在一些实施例中，本发明的可调纳米纤维过滤器可以是扩散过滤器。

当构造如本文所公开的可调纳米纤维扩散过滤器时，重要的是穿过纳米纤维阵列提供流动路径，其允许大部分流体向下流动到过滤器的较低水平以便促进在流体会合的过滤器部分中的流体更新。这是因为流体进入纳米纤维是不可避免的，因为缺乏导致流体交换或更新的化学或压力驱动器。虽然一些流体交换会自然发生，但它将以相对较低的效率发生。因此，本发明的扩散过滤器具有形成在其中的流动路径，其允许接口处的“暴露”流体不断与新流体交换。如此构造的扩散过滤器防止过滤材料(例如，纳米纤维)的饱和以及由此导致的每个水平或层处的流体最终不流动。

本发明的可调纳米纤维扩散过滤器可以具有多个平行的血液和透析液通路，其中流动垂直于薄层平面。流动路径可以布置有透析液流动路径，该透明流动路径位于血液流动路径之间并且通过纳米纤维阵列与流动路径分开。透析液路径的横截面积可以在形成过滤器的薄层堆叠体的长度上减小，使得透析液的速度相对于血液流速以预定速率增加，以实现期望的血液量暴露到透析液中。

例如，单位面积的尿素交换在薄层堆叠体的顶部比底部更大。因此，透析液的负载随着其穿过堆叠体而增加。连通或交换通过尿素从血液穿过纳米纤维扩散到透析液而发生。以这种方式，薄层和其上的纳米纤维阵列可以被配置成控制接口。例如，在一个实施例中，本发明的可调纳米纤维扩散过滤器可以包括根据以下模式通过一系列纳米纤维阵列与相邻透析液流动路径分开的一系列血液流动路径：血液|纳米纤维阵列|透析液|纳米纤维阵列|血液|纳米纤维阵列|透析液|纳米纤维阵列|血液等。扩散速率是与流体速度有关的限制，使得当除以血液与透析液流动路径之间的距离的1/2时，两种流体的平均速度不超过扩散速率。以这种方式构造过滤器可防止过滤器下部(即，下游)的血液再污染。

图65和图66描绘了用于根据本发明的原理构造的可调纳米纤维扩散过滤器的实施例的主要过滤薄层2100。主要过滤薄层2100可以具有形成在其平坦的上表面和下表面中的一个或两个的至少一部分上的纳米纤维阵列。在一些实施例中，主要过滤薄层2100的整个上平坦表面和下平坦表面被纳米纤维覆盖。在主要过滤薄层2100中限定的是狭槽阵列，该狭槽阵列包括具有第一狭槽宽度2104的多个第一狭槽2102和与第一狭槽间隔开的具有第二狭槽宽度2108的第二狭槽2106。在一些实施例中，第二狭槽宽度2108可以大于第一狭槽宽度2104。在其它实施例中，第二狭槽宽度2108可以等于或小于第一狭槽宽度2104。第二狭槽2106可以居中地位于第一狭槽2102之间。第一狭槽2102和第二狭槽2106可以具有大致相等的长度。在一些实施例中，狭槽是矩形的。在其它实施例中，狭槽可以具有包括半圆形、圆形、曲线或这些的任何组合的非线性形状。在其它实施例中，每个狭槽可以包括一系列不同形状和尺寸的紧密排列的较小狭槽或孔。

图67和图68描绘了用于本发明的可调纳米纤维扩散过滤器的间隔薄层2200。间隔薄层2200具有大的中心孔2202，该中心孔与由过滤薄层2100的第一狭槽2102和第二狭槽2106形成的狭槽阵列的外周边紧密贴合。

图69至图71中描绘了由主要过滤薄层2100和间隔薄层2200形成的第一薄层组件2300。第一薄层组件2300可以是形成本发明的可调纳米纤维透析过滤器的实施例的较大薄层组件的第一部分。第一孔2102形成用于血液流动2310的通路。第二孔2106形成用于透析液流动2312的通路。如图71中最佳所见，主要过滤薄层2100之间的层间空间可在由第一孔2102形成的血液流动通路2310与由第二孔2106形成的透析液流动通路2312之间形成扩散区。这些扩散区可具有邻近于由孔2102形成的血液流动通路2310的第一血液扩散部分2302，以及邻近于由孔2106形成的透析液流动通路2312的第一透析液扩散部分2304。如图70和图71中最佳所见，血液扩散区2302和透析液扩散区2304的尺寸可以近似相等，并且形成在其间的边界2314可以在第一孔2102与第二孔2106之间居中。在一些实施例中，透析液流动2312的速度可以大于血液流动2310的速度。

现在参考图72，描绘了用于本发明的可调纳米纤维扩散过滤器的另一过滤薄层2400，可以是次级过滤薄层的过滤薄层2400在所有方面都与过滤薄层2100相同(参见图65和图66)，除非在下文中具体指明。可以限定在次级过滤薄层2400中的是可以包括多个第一狭槽2402和第二狭槽2106的狭槽阵列。次级过滤薄层2400的第一狭槽2402的宽度可以与主要过滤薄层2100的第一狭槽的宽度2104大致相同。然而，次级过滤薄层2400的第二狭槽2406的宽度2408小于主要过滤薄层2100的第二狭槽2106的宽度2108。

图73和图74描绘了由次级过滤薄层2400和间隔薄层2200形成的第二薄层组件2500。第二薄层组件2500在所有方面均与第一薄层组件2300(参见图69至图71)相同，除了次级过滤薄层2400代替第一薄层组件2300的主要过滤薄层2100。因为次级过滤薄层2400的第二狭槽2406的横截面积小于过滤薄层2100的第二狭槽2106的面积，所以透析液穿过由其形成的通路的速度反比例地增加。这种速度的增加减少了透析液可扩散到形成于次级过滤薄层2400之间的第二血液扩散部分2502和第二透析液扩散部分2504中的距离。

因此，如在图73的平面图以及图74的剖视图中所见，第二薄层组件2500具有邻近于由次级薄层2400的第二狭槽2406形成的透析液流动通路2512的第二透析液扩散部分2504。第二透析液扩散部分2504的尺寸相对于第一薄层组件2300的第一透析液扩散部分2304(图70和71)减小。因此，血液扩散区的部分2502与透析液扩散区的部分2504之间的边界2514从第一狭槽2402与第二狭槽2406之间的区域的中心2516朝向透析液流动通路2512移动距离2520。因此，第二薄层组件2500的扩散区边界2514比第一薄层组件2300的扩散区边界2314更接近透析液流动通路2512并且更远离血液流动通路2510。

图75描绘了用于本发明的可调纳米纤维扩散过滤器的又一过滤薄层2600，其可以是三级过滤薄层，除非在下文中具体指定，否则三级过滤薄层2600在所有方面均与次级薄层2400相同。限定在三级薄层2600中的是由多个第一狭槽2602和第二狭槽2606组成的狭槽阵列。三级薄层2600的第一狭槽2602的宽度与次级薄层2400的第一狭槽的宽度大致相同。然而，三级薄层2600的第二狭槽2606的宽度2608小于次级薄层2400的第二狭槽2406(参见图72)的宽度2408。

图76和图77描绘了由三级薄层2600和间隔薄层2200形成的第三薄层组件2700。第三薄层组件2700在所有方面均与第二薄层组件2500(图73和图74)相同，除了三级薄层2600替换第二薄层组件2500的次级薄层2400。因为三级薄层2600的第二狭槽2606的横截面积小于次级薄层2400的第二狭槽2406的面积，所以透析液穿过由其形成的通路的速度成进一步反比例地增加。这种速度的增加进一步减小了透析液可扩散到形成于三级薄层2600之间的第三血液扩散部分2702和第三透析液扩散部分2704中的距离。

因此，如在图76的平面图以及图77的剖视图中所见，第三薄层组件2700具有邻近于由三级薄层2600的第二狭槽2606形成的透析液流动通路2712的第三透析液扩散部分2704。第三透析液扩散部分2704的尺寸相对于第二薄层组件2500的第二透析液扩散部分2504(图73和图74)减小。因此，血液扩散区的部分2702与透析液扩散区的部分2704之间的边界2714从三级薄层2600的第一狭槽2602与第二狭槽2606之间的区域的中心2716朝向透析液流动通路2712移动距离2720。值得注意的是，第三薄层组件2700的距离2720大于第二薄层组件2500的距离2520。因此，第三薄层组件2700的扩散区边界2714比第二薄层组件2500的扩散区边界2514更接近透析液流动通路2712并且更远离血液流动通路2710。

本发明的可调纳米纤维扩散过滤器2800可以由多个薄层组件形成，例如，通过将第一薄层组件2300、第二薄层组件2500和第三薄层组件2700组合在一起以形成如图78中所描绘的薄层堆叠体。第一堆叠体部分2830可以由多个第一薄层组件2300、多个第二薄层组件2500的第二堆叠体部分2832，以及多个第三薄层组件2700的第三堆叠体部分2834形成。一旦组装好，薄层堆叠体可以夹在一起并包含在由顶部壳体部分2802和底部壳体部分2812组成的过滤器壳体内。两个过滤器壳体部分可以使用本文具体描述的或本领域中已知的任何方法密封在一起。

在使用中，血液2842经由顶部壳体部分2802的血液入口2804进入扩散过滤器2800并且可以通过顶部2802内的通道分配到最上面的第一薄层组件2300的主要过滤薄层2100中的第一狭槽2102(图69至图71)，并且穿过其流到构成第一堆叠体部分2830的下面的下游第一薄层组件2300。然后，血液2842流过包括第二堆叠体部分2832的多个第二薄层组件2500，随后穿过形成第三堆叠体部分2830的多个第三薄层组件2700。离开第三堆叠体部分2834的最下面的第三薄层组件2700的血液2842可以在经由血液出口2814离开扩散过滤器2800之前由底部壳体部分2812内的通道收集。

透析液2844经由顶部壳体部分2802的透析液入口2806进入扩散过滤器2800，并且可以通过顶部2802内的通道分配至最上面的第一薄层组件2300中的第二狭槽2106(图69至71)，并且穿过其流到构成第一堆叠体部分2830的下面的下游第一薄层组件2300。从那里，透析液2844流过构成第二堆叠体部分2832的多个第二薄层组件2500，随后穿过形成第三堆叠体部分2834的多个第三薄层组件2700。离开第三堆叠体部分2834的最下面的第三薄层组件2700的透析液2844可以在经由透析液出口2816离开扩散过滤器2800之前由底部壳体部分2812内的通道收集。

再次参考图78，指示穿过扩散过滤器2800的血液流动2842和透析液流动2844的箭头的长度对应于过滤器中不同位置处的指示流动的相对速度。穿过过滤器2800的血液流动2842的速度是恒定的，而透析液流动2844的速度随着透析液流动2844行进穿过过滤器2800的第一堆叠体部分2830、第二堆叠体部分2832和第三堆叠体部分2834而递增地增加，以便实现本文先前描述的目标。

图78中描绘的说明性和非限制性示例的扩散过滤器2800的薄层堆叠体具有三个薄层配置，其产生透析液流动2844的速度的两个递增，以便说明增加的透析液流动2844的原理和对扩散区的相关作用。薄层配置的数量和所得递增流速增加的数量是设计选择并且可以被优化以实现期望的结果或适合特定的应用。一些实施例可以具有增加的下游透析液流速，或者降低的下游血液流速，或者两者的组合。流速可以通过改变适当流动通路的横截面积来调整。因此，具有平行散布的血液和透析液流动通路的任何过滤器落入本发明的范围内，所述流动通路通过由相对的独立纳米纤维阵列形成的扩散区分开。

进入扩散过滤器2800的血液2842通常将具有不合需要的高浓度的溶质，诸如尿素、钾和磷。透析液2844具有低浓度的此类溶质。因此，并参考图70和图71，这类溶质从血液2842穿过第一血液扩散区2302流到第一透析液扩散区2304并且穿过其到透析液2844，并且由此被输送到下游并流出过滤器2800。因为目标溶质的浓度随着其流动穿过过滤器2800而在透析液流中增加，所以从血液2842到透析液2844的扩散速率将降低，除非透析液2844的流速相应地增加。如果透析液2844的流速在这些下游部分中不增加，则透析液2844中的目标溶质的浓度可以接近血液2842中的这些溶质的浓度，在这种情况下，这些溶质从血液向透析液的扩散将成比例地减少。在极端情况下，其中透析液2844在扩散过滤器2800的下游部分中的流速没有增加，透析液2844中的目标溶质的浓度可能超过“已清洁的”血液2842的浓度并且目标溶质的扩散可能被逆转，从而不合需要地增加血液中目标溶质的水平。因此，穿过本发明的扩散过滤器的血液2842和透析液2844的相对流速不应该是恒定的，而应该被修改，以便在过滤器2800的所有部分中使溶质穿过纳米纤维扩散区的扩散速率保持最佳。

以这种方式，本发明的可调纳米纤维扩散过滤器类似于地铁转移点，其中红线列车表示血液流动，绿线列车表示透析液流动，而乘客表示溶质。如果抵达绿线汽车是空的，则希望从红线转到绿线的乘客需要很少的列车。随着抵达绿线的汽车空间量减少，必须增加运输抵达红线乘客所需的抵达绿线汽车的数量。如果抵达绿线汽车没有空间，则抵达红线乘客的运输将停止。通过确保抵达绿线汽车的可用空间总是大大超过希望转乘的抵达红线乘客所需的空间，实现抵达红线乘客到出发的绿线列车的最佳转乘。因此，本发明的过滤器可以被配置成使得血液和透析液的相对流速和溶质浓度被优化，用于溶质在过滤器的所有部分中从血液扩散到透析液。

在前面的说明性示例中，参考血液2842和透析液2844描述了扩散过滤器2800。该选择仅是示例性的并且不应被解释为限制可使用本文公开的可调纳米纤维过滤器清洁的流体的类型。在实践中，第一流体2842和第二流体2844可以包括任何流体组合，其中第一流体2842通过一个或多个包括纳米纤维的扩散区使材料从其扩散到第二流体2844而被过滤。

再次参考扩散过滤器2800，致密纳米纤维阵列形成接口或边界2314，其中血液2842和透析液2844通常不会直接相互作用并且仅通过溶质分子。再参考图71，血液2842渗透形成在过滤薄层2100的顶面和底面上的纳米纤维阵列以填充血液扩散区2302。以相同的方式，透析液2844渗透纳米纤维阵列以填充透析液扩散区2304。在扩散区2302和2304(即线2314)的边界处，溶质分子从血液2842穿到透析液2844。

然而，如侧向延伸箭头所示，血液2842和透析液2844容易分别流入血液扩散区2302和透析液扩散区2304。大部分流体可以在扩散区内保持不流动(停滞)，使得在从血液2842到透析液2844的初始溶质交换之后，由于局部透析液2844的溶质浓度已经达到与局部血液2842的溶质浓度相等，所以可以停止扩散穿过接口或边界2314。只要血液2842和透析液2844保持停滞，就不会发生进一步的扩散。可能发生流体的一些交换，但是这种交换将是低效的并且限制了过滤器2800的有效性。

为了消除这种情况，必须在扩散区内有流动，其中该流动具有分别平行于主要过滤薄层2100的第一狭槽2102和第二狭槽2106以及血液扩散区2302与透析液扩散区2304之间的边界2314的分量，以便更新区域中的流体。因此，在另一实施例中，在纳米纤维阵列内创建流动路径，其允许纳米纤维阵列内的一部分流体流向薄层堆叠体的较低水平，以促进在边界和扩散区处的阵列内的流体的更新。为接口处的“暴露”流体创建流动路径，以不断与新流体交换，从而防止流体在扩散区内不流动并导致过滤器饱和。

图79描绘了用于可调纳米纤维扩散过滤器的主要过滤薄层3100的另一实施例，除了下文具体描述的以外，过滤薄层3100在所有方面均与主要过滤薄层2100(图65和图66)相同。过滤薄层3100具有形成在其中的在第一狭槽3102附近的第一孔3103以及在第二狭槽3106附近的第二孔3107。过滤薄层3100形成有用于主要血液和透析液流动的平行线性第一狭槽3102和第二狭槽3106，以及用于次级血液和透析液流动的第一孔3103和第二孔3107，以在扩散区内产生梯度。第一孔3103和第二孔3107分别位于第一狭槽3102和第二狭槽3106的侧端附近。

主要血液和透析液流动通路及其相关的次级流动通路的定位是设计选择，其尺寸和配置亦如此。这些特征的尺寸、配置和定位可以被优化以满足关于尺寸、流速、背压的特定要求或其它要求。例如，狭槽可以具有包括半圆形、圆形、曲线或这些的任何组合的非线性形状。类似地，用于次级流动的孔(即，第一孔3103和第二孔3107)也可以具有多种形状，包括圆形、椭圆形、直线形或这些形状的任何组合。具有用于血液和透析液的平行主要流动路径、在接口处会合并且包括纳米纤维阵列的相邻扩散区以及与这些扩散区中的一个或多个相交以用于在接口附近的扩散区内创建流动目的的一个或多个次级流动路径的任何扩散过滤器均落在本发明的范围内。

图80至图83描绘了包括多个过滤薄层3100和间隔薄层3200的薄层组件3300。每个间隔薄层3200在所有方面都与图67和图68中所示并如上所述的间隔薄层2200相同。图82和图83中的虚线箭头指示邻近于第一狭槽3102和第一孔3103的第一扩散区3302内的流动，以及邻近于第二狭槽3106和第二孔3107的第二扩散区3304内的流动。分别流出第一扩散区3302和第二扩散区3304的流动分别被从相应相邻主要流动路径穿过由第一狭槽3102和第二狭槽3106形成的流动通路流入区域的“新鲜”流体替换。在这两种情况下，流动的方向具有平行于扩散区3302与3304之间的接口或边界的分量，从而造成邻近于其接口的相应区域中的流体的更新。

现在参考图83，主要血液流动3310流过由第一狭槽3102形成的流动通路向下穿过薄层组件3300。主要透析液流动3312流过由第二狭槽3106形成的流动通路向下穿过第一薄层子组件3300。次级血液流动3311流过由第一孔3103形成的流动通路向下穿过薄层组件3300，血流量随着来自下游第一扩散区3302(图82)的血液的添加而增加。次级透析液流动3313流过由第二孔3107形成的流动通路向下穿过薄层子组件3300，透析液流量随着来自下游第二扩散区3304(图82)的透析液的添加而增加。为了适应这种增加的流量，薄层子组件3300的下游主要薄层3100中的第一孔3103和第二孔3107的尺寸随着与薄层子组件3300中的最上面薄层的距离增加而递增。

图84描绘了用于根据本发明形成的可调纳米纤维扩散过滤器4000的实施例的过滤器壳体的薄层堆叠体和底部。薄层堆叠体包括上堆叠体部分4002和下堆叠体部分4004，该上堆叠体部分包括在图80至图83的薄层子组件3300上面的四级过滤器过滤薄层4100，该下堆叠体部分包括在另一四级过滤薄层4100上面的多个附加过滤薄层。

具体地，下堆叠体部分4004包括次级间隔薄层4200、在次级间隔薄层4200下面的次级过滤薄层4400、在次级过滤薄层4400下面的三级间隔薄层4500、在三级间隔薄层4500下面的三级过滤薄层4600、在三级过滤薄层4600下面的四级间隔薄层4700以及在三级间隔薄层4600下面的四级过滤薄层4100。

下堆叠体部分4004通过次级间隔薄层4200从上堆叠体部分4002接收血液4310和透析液4312，其中形成与上堆叠体部分4002的最下面的主要过滤薄层3100的狭槽和孔匹配的狭槽和孔。次级过滤薄层4400具有开口4460，该开口接收分别离开上堆叠体部分4002中的薄层子组件3300中最下面的主要过滤薄层3100(参见图83)的第一狭槽3102和第一孔3103的主要血液流动3310和次级血液流动3311，以便组合主要血液流动3310和次级血液流动3311以通过下堆叠体部分4004。

三级间隔薄层4500具有形成在其中的与相邻的上面次级过滤薄层4400的狭槽和孔匹配的狭槽和孔。在一些实施例中，三级间隔薄层4500可以比次级过滤薄层4400薄。在其它实施例中，三级间隔薄层4500可以与次级过滤薄层4400具有相同或更大的厚度。

三级过滤薄层4600具有开口4670，该开口接收分别离开上堆叠体部分4002中的薄层子组件3300的底部主要过滤薄层3100(参见图83)的第二狭槽3106和第二孔3107的主要透析液流动3312和次级透析液流动3313，以便组合主要透析液流动3312和次级透析液流动3313以通过下堆叠体部分4004的剩余部分。

四级间隔物薄层4700具有形成在其中的与相邻的上面三级过滤薄层4600的狭槽和孔匹配的狭槽和孔。血液4310和透析液4312离开四级过滤薄层4100并且被底部过滤器壳体部分4800内的凹部接收并且通过其分别流到血液流出连接器4810和透析流出连接器4812。

再次参考图82，由虚线箭头指示的扩散区内的流动是由于由第一孔3103和第二孔3107以及由此形成的流动通路的存在而产生的压力梯度引起的。由这些压力梯度产生的扩散区内的这种流动引起每个扩散区内的流体的更新，该流动来自由第一狭槽3102和第二狭槽3106形成的主要流动通路以及由第一孔3103和第二孔3107形成的次级流动通路。该流的一部分将新鲜流体带到邻近于扩散区之间的接口或边界的每个扩散区内的区域。邻近于接口的流体的这种更新将清洁的透析液和“脏”血液带到扩散区接口，从而将预定溶质从血液扩散到透析液中，以便随后通过透析液流动从过滤器中运输出去。

本文先前描述的扩散过滤器2800和4000具有用于血液和透析液的平行轴向流动路径，该流动路径大致垂直于薄层的平面。从构成薄层的顶面和底面延伸到层间空间中的纳米纤维阵列起到半透膜的作用，其将溶质从血液传递到透析液。然而，在下文描述的本发明的另一示例性实施例中，透析液流可以是轴向的、垂直于薄层的平面，并且血液流动路径可以采取穿过层间空间的迂回路径，透析液和血液流动路径大致垂直。

因此，图85和图86描绘了用于根据本发明构造的可调纳米纤维扩散过滤器的另一实施例的过滤薄层5100，其中透析液流动路径垂直于过滤薄层5100并且血液流动路径穿过层间空间，平行于过滤薄层5100的平面。

过滤薄层5100具有第一和第二纵向狭槽5104，居中位于第一和第二纵向狭槽5104之间的第三纵向狭槽5106以及垂直于纵向狭槽5104、5106的侧向狭槽5102。如图86中所示，过滤薄层5100具有形成在其上表面和下表面上的对称相对的纳米纤维阵列。第一纳米纤维阵列5112可以定位成紧邻纵向缝隙5104和5106并且可以由间隔开第一阵列距离5113的纳米纤维5110形成。第二纳米纤维阵列5114可以定位成邻近于第一纳米纤维阵列5112并且可以由间隔开第二阵列距离5115的纳米纤维5110形成。第一阵列距离5113可以在约一到十微米之间，或在约一到五微米之间。在一些实施例中，第一阵列距离5113可以约为1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或10μm。第二阵列距离5115优选地大于第一阵列距离5113，并且可以在约200微米到2微米之间。第二阵列距离5115与第一阵列距离5113的比率可以在约2：1与约20：1之间，或者在约4：1与约10：1之间。在一些实施例中，第二阵列距离5115与第一阵列距离5113的比率可以约为10：1、9：1、8：1、7：1、6：1、5：1、4：1、3：1或2：1。第一纳米纤维阵列5112和第二纳米纤维阵列5114可以被不具有纳米纤维的区域5116分开，如图85至图86中所示。

图87和图88描绘了与用于本发明的可调纳米纤维扩散过滤器的薄层堆叠体中的过滤薄层5100一起使用的间隔薄层5200。间隔薄层5200具有由周边5202限定的大中心开口5204。

图89和图90描绘了组装到用于本发明的可调纳米纤维扩散过滤器的实施例中的薄层堆叠体的一部分中的过滤薄层5100和间隔薄层5200。过滤薄层5100的狭槽5104在其中间侧由第一纳米纤维阵列5112界定以及在其其它(即，侧向)侧由间隔薄层5200的开口5204的周边5202界定。过滤薄层5100的侧向狭槽5102在三侧由间隔薄层5200的开口5204的周边5202界定。

图91描绘了在两个过滤薄层5100之间包括间隔薄层5200的薄层子组件5300的分解图。箭头指示透析液流动5302、血液流动5304和扩散流动5306的方向。间隔薄层5200的中心开口限定相邻的上面和下面的过滤薄层5100之间的层间空间。血液5304经由上面过滤薄层5100中的侧向狭槽5102流入层间空间，主要经由纳米纤维自由区域5116穿过层间空间，但也穿过第二纳米纤维阵列5114，并在较小程度上穿过第一纳米纤维阵列5112。血液5304经由下面过滤薄层5100中的侧向狭槽5102离开层间空间。透析液5302垂直流过薄层组件5300，穿过纵向狭槽5104和5106。血液流过邻近于纵向透析液流动狭槽5104和5106的第一纳米纤维阵列5112允许选定的溶质从血液5304扩散到透析液5302。

图92描绘了用于根据本发明构造的可调纳米纤维扩散过滤器的替代实施例的壳体5400的实施例。壳体5400包括具有中心窗口5404和入口连接器5406的上部5402以及具有中心窗口5412和出口连接器5414的下部5410。上壳体部分和下壳体部分中的窗口可以是限定为穿过每个壳体部分的大中心孔。

图93描绘了可调纳米纤维扩散过滤器5500，其包括壳体5400和包括由多个过滤薄层5100和间隔薄层5200形成的多个薄层子组件5300的薄层堆叠体。为了清楚起见，省略了图91中描绘的纳米纤维阵列，但是应当理解的是，这种纳米纤维阵列或其变体可以存在于过滤薄层5100的表面上。透析液5502经由上壳体部分5402中的窗口5404进入过滤器5500并且经由过滤薄层5100中的狭槽5104和5106流过过滤器5500，经由下壳体部分5410中的窗口5412离开。血液5504经由上壳体部分5402中的入口连接器5406进入过滤器5500，并且遵循本文之前关于图59中所描绘的过滤器1500的上过滤器部分1200所述的层间路径，经由出口连接器5414离开过滤器5500。

图94至图96描述了组装用于与上壳体部分5402一起使用的过滤器5500，该过滤器以如下方式永久地固定到下壳体部分5410，其将图93所示的薄层密封在上壳体部分5402和下壳体部分5410内。与先前描述的具有经由管道和连接器连接到外部源的透析液流动路径的扩散过滤器2800(图78)和4000(图84)不同，过滤器5500被配置成如图97中所示，在使用期间浸没在透析液中。

现在参考图97，描绘了过滤器5500浸没在装有透析液5502的容器中，血液5504通过连接到上部壳体部分5402的入口连接器5406的第一管状构件5802供应到过滤器5500。过滤血液5504经由连接到下壳体部分5410的流出连接器5412(未示出)的第二管状构件5804流出。过滤器5500浸没在其中的透析液可由于自然对流、强制流体运动或其它手段从周围环境流过过滤薄层5100的狭槽5104和5106。

在使用中，本发明的过滤器5500和其它过滤器(其中流体流动的路径主要通过平行于薄层平面的层间空间)对流动的阻力可能超过对于特定应用所需的阻力。称为“背压”的这种阻力可以通过修改穿过薄层的流动路径的各种参数而减小。此类参数包括但不限于相邻薄层之间的距离、薄层通道的深度、从相邻薄层延伸到流动空间或流动通路中的相对纳米纤维阵列之间的间隙或空间，以及纳米纤维阵列中纳米纤维之间的距离。

图98和图99描绘了用于图93的可调纳米纤维扩散过滤器的替代实施例的另一过滤薄层5600，其在结构上类似于过滤器5500，但对血液流动的阻力降低。除了下文中具体描述之外，次级过滤薄层5600在形式和功能的所有方面均与过滤薄层5100相同。具体而言，次级过滤薄层5600具有第一和第二纵向狭槽5604、居中位于第一和第二纵向狭槽5604之间的第三纵向狭槽5606以及垂直于纵向狭槽5104、5106的侧向狭槽5602。然而，次级过滤薄层5600还具有第二侧向狭槽5602，该第二侧向狭槽设置成相对于纵向狭槽5604、5606与第一侧向狭槽5602对称地相对，而过滤薄层5100不具有该第二侧向狭槽。

图100描绘了用于图93中所示的可调纳米纤维扩散过滤器的对血液流动减小阻力的实施例的局部薄层堆叠体5700。为了清楚地描绘层间流动路径，没有示出间隔薄层5200。将理解的是，过滤器5500的构造与本文先前描述的实施例(例如，图93中所示的实施例)的构造相同，相同点在于间隔薄层5200散布在相邻的过滤薄层5100与5600之间。

如同过滤器5500的薄层堆叠体一样，薄层堆叠体5700中的透析液流动5702大致垂直于包含堆叠薄层的平面，该平面穿过过滤薄层5100的纵向狭槽5104和5106并且穿过次级薄层5600的纵向狭槽5604和5606。穿过薄层堆叠体5700的血液5704的流动路径允许血液流动5704在延伸穿过层间空间的多个平行流动路径之间分开。

血液5704通过狭槽5102进入最上面的过滤薄层5100中，并且填充由其下方的次级过滤薄层5600中的多个同轴定位的侧向狭槽5602产生的流动空间，流动空间的底部由过滤薄层5100的一部分形成，该部分位于形成流动空间的最后过滤薄层5100的下方。来自流动空间的血液流动穿过由最上面和中间主要过滤薄层5100和位于其间的次级过滤薄层5600形成的平行层间空间。血液从层间空间流动到由次级过滤薄层5600的相对侧向狭槽5602和位于堆叠部段中心的过滤薄层5100的狭槽5102形成的流动空间。流动空间的顶部由最上面的过滤薄层5100的同轴定位部分形成，并且流动空间的底部由最下面的过滤薄层5100的同轴定位部分形成。

血液从空腔的上部穿过中间过滤薄层5100中的狭槽5102流到流动空间的下部。从流动空间的下部，血液流过由中间和最下面的过滤薄层5100和位于其间的次级过滤薄层5600形成的层间空间。血液被收集在由次级过滤薄层5600中的第一侧向狭槽5602形成的流动空间中，其中流动空间的顶部由中间过滤薄层5100的同轴定位部分形成。血液从该流动空间向下流动到薄层堆叠体的相邻部分或流到流出连接器。

将理解的是，图100中所示的平行流动路径模型可以应用于其中一种或多种流体流过层间空间的本发明的任何过滤器。其中流动被分开的平行层间路径的数量可针对特定应用进行优化，如薄层堆叠体中使用的薄层的数量可进行优化。

本文先前描述的扩散过滤器2800和4000具有用于血液和透析液的平行轴向流动路径，其沿相同方向流过过滤器。扩散过滤器5500和5700具有轴向透析液流动路径和血液流动路径，透析液流动路径大致垂直于薄层平面，并且血液流动路径流过在相邻薄层之间来回延伸向下穿过堆叠体的层间空间。然而，在一些情况下，具有可调纳米纤维扩散过滤器是有益的，其中血液和透析液都流过层间空间，流动路径如本文先前所述被纳米纤维阵列分开。此外，在某些情况下，在这些层间空间内的透析液流动与血液流动之间具有逆流状态是有利的，该流动路径平行但在相反方向上流动。

因此，图101和图102描绘了用于根据本发明构造的可调纳米纤维扩散过滤器的另一实施例的主要过滤薄层6100，其中血液和透析液经由平行但逆流的流动路径流过层间空间。主要过滤薄层6100可以在其上表面和下表面上具有对称相对的平行纳米纤维阵列6102和狭槽6104。

图103和图104描绘了与本发明的可调纳米纤维扩散过滤器的薄层堆叠体中的主要过滤薄层6100一起使用的间隔薄层6200。间隔薄层6200具有由周边6204限定的大中心开口6202。

图105和图106描绘了薄层子组件6300，子组件6300由间隔薄层6200和主要过滤薄层6100形成。薄层子组件6300可以具有第一端6302和第二端6304。主要过滤薄层6100的纳米纤维阵列6102以及间隔薄层6200的开口6202的周边6204一起限定用于使血液和透析液逆流的交替的第一通道6120和第二通道6122，其中每个通道6120、6122在其每个端处具有狭槽6104。

图106描绘了层间空间中的逆流血液和透析液流动路径(由箭头指示)，其可以由间隔薄层6200的中心开口6202、相邻的上面主要过滤薄层6100的底面以及相邻的下面主要过滤薄层6100的上表面限定。给定通道6120、6122中的流动方向由通道端部处的压力差确定。每个通道具有位于其相对端的流入狭槽6110和流出狭槽6112，狭槽6110和6112由主要过滤薄层6100的狭槽6104形成。第一通道6120在子组件6300的第一端6302处具有流入狭槽6110。定位在第一通道6120之间的第二通道6122在子组件6300的第二端6304处具有流入狭槽6110。

图107描绘了次级过滤薄层6400，除了在此具体描述之外，其在形式和功能的所有方面都与主要过滤薄层6100相同。值得注意的是，纳米纤维阵列6402仅形成在次级过滤薄层6400的一侧上，次级过滤薄层6400比主要过滤薄层6100具有更少狭槽6404，并且次级过滤薄层6400的狭槽6404不对称地相对。在一些实施例中，次级过滤薄层6400的狭槽6404可以如所描绘的那样定位。

图108描绘了用于本发明的可调纳米纤维扩散过滤器的实施例的薄层堆叠体6500。薄层堆叠体6500可以由两个主要过滤薄层6100(图101和图102)、三个间隔薄层6200(图103和图104)以及两个次级过滤薄层6400(图107)形成。根据本文先前描述的原理，为了更清楚起见，未描绘间隔薄层6200，但应将其定位在相邻过滤薄层6100、6400之间的堆叠体6500中。最上面的次级过滤薄层6400的狭槽6404与主要过滤薄层6100的流入狭槽6110(参见图106)对齐，并且最下面的次级过滤薄层6400的狭槽6404与主要过滤薄层6100的流出狭槽6112对齐。

第一流动路径通过堆叠体6500的第一端6502处的最上面的次级过滤薄层6400中的狭槽6404连同狭槽6110、通道6120和薄层子组件6300的狭槽6112以及堆叠体6500的第二端6504处的最下面的次级过滤薄层6400中的狭槽6404而形成为穿过薄层堆叠体6500。第二流动路径通过堆叠体6500的第二端6504处的最上面的次级过滤薄层6400中的狭槽6404连同狭槽6110、通道6120和薄层子组件6300的狭槽6112以及堆叠体6500的第一端6502处的最下面的次级过滤薄层6400中的狭槽6404而形成为穿过薄层堆叠体6500。第一和第二流动路径平行穿过层间空间，但是每个的流动方向相反。在层间空间中的第一流动路径与第二流动路径之间的纳米纤维阵列6102、6402可以扩散第一流动路径和第二流动路径中的流体之间的溶质。

在另一实施例中，形成薄层堆叠体6500的第一部分的主要过滤薄层6100上的纳米纤维阵列6102可以具有第一配置，而形成薄层堆叠体6500的第二部分的主要过滤薄层6100上的纳米纤维阵列6102可以具有第二配置，使得第一溶质可以从通过第一部分的流体中去除，并且第二溶质可以从第二部分中的流体中去除。

图109描绘了本发明的可调纳米纤维扩散过滤器6600的实施例。过滤器6600包括图108的薄层堆叠体6500，其包含在由下壳体部分6602和上壳体部分6612形成的壳体内。应该注意的是，如图109中所描绘的保持堆叠体6500的定向与图108中所示的相反，使得薄层堆叠体6500的第一端6502和第二端6504显示在相对侧上。还应该注意的是，图109中所描绘的薄层堆叠体6500包括足够的主要过滤薄层6100以示出平行层间逆流流动路径，然而，因为许多附加的主要过滤薄层6100可以用于堆叠体6500中，可能需要或期望满足任何给定应用的特定过滤要求。

过滤器6600可以具有下壳体部分6602，其中可以形成第一凹部6604，该第一凹部从与其轴向相邻定位的狭槽6404(图108)接收流动并且将流动经由第一通路6606引导至第一流出连接器(未示出)。下壳体部分6602也可以具有形成在其中的第二凹部6608，该第二凹部从与其轴向相邻定位的狭槽6404接收流动并且将流动经由第二通路6610引导至第二流出连接器(未示出)。过滤器6600还可以具有上壳体部分6612，该上部壳体部分可以与下壳体部分6602对称相同并且具有形成在其中的第一凹部和第二凹部，用于将流动从第一输入连接器6616引导至与第一凹部轴向对齐的狭槽6404，并且用于将流动从第二输入连接器6620引导至与第二凹部轴向对齐的狭槽6404。

第一流体6640(其流动路径由图109中的虚线箭头描绘)经由第一流入连接器6616进入过滤器6600，然后流过由虚线箭头指示的流动路径而穿过薄层堆叠体6500，然后经由第二凹部6608和第二通路6610流到第二流出连接器(未示出)。第二流体6642(其流动路径由图109中的实线箭头描绘)经由第二流入连接器6620进入过滤器6600，然后流过由实线箭头指示的流动路径而穿过薄层堆叠体6500，然后经由第一凹部6604流到第一输出连接器(未示出)。第一流体6640和第二流体6642的流动在薄层堆叠体6500的相邻过滤薄层之间的层间空间中对称地相对。

本发明的过滤器使用从过滤薄层的部分延伸的独立纳米纤维阵列的经调整形貌，以从流过、穿过或通过该形貌的流体流中分离颗粒和溶质。本发明的过滤器可以包括具有配置成去除单种预选物质的单个形貌的过滤薄层，或者具有两个或更多个不同形貌的过滤薄层，每个过滤薄层被优化以去除不同的预选物质。另外，用于本文公开的过滤器的过滤薄层可以包括被调整以去除单种预选物质的单个形貌，或者在相同过滤薄层上的两个或更多个形貌，每个形貌被配置成去除不同物质。在一些实施例中，过滤薄层还可以或可选地包括一个或多个纳米孔阵列以允许从流体流中除去所选物质。可以使用本文先前描述的原理构造的独特定制配置允许本发明的过滤器适应宽范围的流体，包括可以穿过这种过滤器的任何液体或气体。

在某些实施例中，本文公开的过滤器可以是具有一个或多个独立纳米纤维阵列的扩散过滤器，该独立纳米纤维阵列形成允许一种或多种预选溶质从第二流体流扩散至第一流体流的半透膜。如同前面所述的实施例一样，第一和第二流体流的流动路径之间的纳米纤维阵列可以在过滤器中具有单一配置以便去除单种溶质或溶质族，或者可以具有两种或更多种配置，以便去除两种或更多种所选溶质。预期了各种流动路径。这些可以包括用于两种流体的平行轴向流动路径、平行轴向逆流流体路径、其中第一流体轴向流动而第二流体流过相邻过滤薄层之间的层间空间的流动路径，或者其中两种流体流过相邻过滤薄层之间的层间空间的流动路径。在每种情况下，两个流动路径由纳米纤维阵列分开，该纳米纤维阵列允许一种或多种所选溶质从第二流体流扩散至第一流体流。

根据本文公开的原理构造的给定扩散过滤器的最佳流动配置可以由其它因素确定：每种流体的粘度、每种流体的相对所需流速和速度，以及每个流体源的可接受的背压。例如，本发明的扩散过滤器可用于透析，其中某些溶质从血液中去除。如上所述，第一流体可以是透析液，而第二流体可以是血液。在一些实施例中，诸如由过滤器2800(图78)、过滤器4000(图84)和过滤器6600(图109)所例示的那些实施例中，透析液可被泵送穿过过滤器。在其它实施例中，诸如由过滤器5500(图97)所例示的实施例中，过滤器可以浸没在透析液填充的容器中。第一(透析液)流动路径的配置可以被构造成使用本文先前描述的技术来实现用于上述每个过滤器要求的最佳流速。

类似地，在一些应用中，可能期望患者的心脏充当用于血液流动的泵。这将需要过滤器的背压适当地低。如果患者的心脏无法提供实现穿过过滤器的最佳血液流动所需的压力，则可以使用外部泵。如果使用外部泵，则可以将过滤器配置成有利地使用增加的压力来实现最佳性能。针对这些不同要求进行优化的过滤器的设计和构造可以使用本文先前描述的方法和原理来完成。

另外，某些具有独特医疗条件的患者可能需要从他们的血液中去除某些在没有医疗条件的情况下不存在的溶质。使用本文先前描述的原理和方法，可以构造扩散过滤器，其中过滤器中包括了配置成去除这些溶质的薄层。事实上，本文公开的方法和原理能够构造高效透析过滤器，以满足任何个体患者的独特需求。

因此，虽然已经描述了新的和有用的可调纳米纤维过滤器的本发明的特定实施例，但是并不旨在将这样的引用解释为对本发明范围的限制。

Claims (19)

1.一种过滤器装置，包括：

限定内部空间的壳体，所述壳体具有限定在其中的入口和出口，所述入口和出口各自都与所述内部空间流体连通；

设置在所述内部空间内的多个过滤薄层，每个过滤薄层包括上表面、下表面、第一周边部分、与所述第一周边部分相对的第二周边部分、在所述第一周边部分与所述第二周边部分之间的中心区域，以及限定为穿过所述第一周边部分的孔，所述多个过滤薄层布置在堆叠体中，其中：

最上面的薄层的所述孔与所述入口流体连通，

最下面的薄层的所述孔与所述出口流体连通，并且

相邻过滤薄层的相对表面限定了在相对表面之间延伸的层间流动空间的一部分，所述流动空间与相应的相邻过滤薄层的所述孔流体连通以形成从所述入口延伸穿过薄层堆叠体到所述出口的连续流动通路；以及

纳米纤维阵列，其从每个过滤薄层的一部分延伸到所述流动通路中，使得流过所述流动通路的流体流过所述阵列的一部分；

所述过滤薄层布置在所述堆叠体中，使得每个过滤薄层的所述第一周边部分接近每个相应的相邻过滤薄层的所述第二周边部分，并且所述流动通路在从所述入口到所述出口的相邻过滤薄层之间的交替方向上延伸穿过所述堆叠体。

2.根据权利要求1所述的过滤器装置，其中所述纳米纤维阵列从在所述最上面的薄层下面的每个过滤薄层的所述上表面的一部分以及在所述最下面的薄层上面的每个过滤薄层的所述下表面的一部分延伸到所述流动通路中。

3.根据权利要求1所述的过滤器装置，其中所述第一和第二周边部分是第一端和与所述第一端相对的第二端，或者是第一纵向侧和与所述第一纵向侧相对的第二纵向侧。

4.根据权利要求3所述的过滤器装置，其中所述多个过滤薄层包括多个主要过滤薄层和次级过滤薄层，并且其中所述堆叠体中的最上面的过滤薄层是次级薄层。

5.根据权利要求4所述的过滤器装置，还包括：

形成在每个主要薄层的所述上表面中的流动通道，所述流动通道包括下游端和与所述下游端相对的上游端，所述孔延伸穿过所述下游端的一部分，所述流动通道限定所述层间流动空间的一部分；

其中所述主要过滤薄层布置在所述堆叠体中，使得每个流动通道的所述上游端与相应的相邻上面的过滤薄层的所述孔流体连通。

6.根据权利要求3所述的过滤器装置，还包括多个间隔薄层，所述多个间隔薄层具有限定为穿过其中心部分的孔，所述多个间隔薄层中的每个间隔薄层设置在相应的一对相邻过滤薄层之间，使得每个间隔薄层的中心孔在相应对相邻过滤薄层之间限定了所述层间流动空间的一部分。

7.根据权利要求6所述的过滤器装置，其中在所述最上面的薄层下面的每个过滤薄层的所述上表面的所述中心区域包括多个突起，所述突起向上延伸到由相应的上面的相邻间隔薄层的所述中心孔限定的所述层间流动空间的一部分中。

8.根据权利要求6所述的过滤器装置，还包括多个纵向狭槽，所述纵向狭槽限定为穿过每个过滤薄层的所述中心区域的一部分，所述狭槽与所述层间流动空间流体连通以形成从所述最上面的过滤薄层的所述纵向狭槽延伸穿过薄层堆叠体到最下面的过滤薄层的所述纵向狭槽的流动路径。

9.根据权利要求8所述的过滤器装置，其中：

所述纳米纤维阵列是多个对称相对的纳米纤维阵列，所述纳米纤维阵列形成在每个过滤薄层的邻近于所述纵向狭槽的所述上表面和所述下表面的一部分上；以及

流过所述流动通路的第一流体通过使溶质扩散穿过所述纳米纤维阵列的一部分到流过所述流动路径的第二流体而对所述溶质进行过滤。

10.一种用于透析的扩散过滤器，包括：

限定内部空间的壳体，所述壳体具有限定在其中的第一和第二入口以及第一和第二出口，所述入口和出口与所述内部空间流体连通；

设置在所述内部空间内的薄层组件，所述薄层组件包括：

多个过滤薄层，每个过滤薄层包括限定为穿过其中的第一和第二狭槽，以及

多个间隔薄层，每个间隔薄层具有限定为穿过其中的中心孔；

所述过滤薄层和间隔薄层交替布置在堆叠体中，其中每个间隔薄层的所述中心孔在相应的相邻过滤薄层的相对表面之间限定层间空间，所述层间空间与所述相邻过滤薄层的第一和第二狭槽流体连通，使得所述第一狭槽形成从所述第一入口延伸穿过所述堆叠体到所述第一出口的第一流动路径，并且所述第二狭槽形成从所述第二入口延伸穿过所述堆叠体到所述第二出口的第二流动路径；

在所述层间空间中形成的多个扩散区，每个扩散区包括从相应的相邻过滤薄层的一部分延伸到所述层间空间中的纳米纤维阵列，使得所述纳米纤维阵列在整个层间流动空间中分开所述第一和第二流动路径；

其中流过所述第一流动路径的第一流体穿过所述扩散区与流过所述第二流动路径的第二流体会合；

所述第一狭槽是限定为穿过每个过滤薄层的中心部分的一对平行的第一狭槽，并且所述第二狭槽位于所述第一狭槽之间。

11.根据权利要求10所述的扩散过滤器，其中每个第一狭槽具有第一狭槽宽度，并且所述第二狭槽具有比所述第一狭槽宽度大的第二狭槽宽度，使得所述第二流体流过所述第二流动路径的速率比所述第一流体流过所述第一流动路径的速率大。

12.根据权利要求10所述的扩散过滤器，其中所述第一狭槽限定为穿过每个过滤薄层的周边部分，并且所述第二狭槽是限定为穿过由所述周边部分界定的每个过滤薄层的中心部分的多个平行的第二狭槽，所述第一狭槽垂直于多个第二狭槽。

13.根据权利要求10所述的扩散过滤器，其中当所述第一流体穿过所述扩散区与所述第二流体会合时，通过使溶质扩散穿过所述扩散区而使所述溶质从第一流体过滤到所述第二流体。

14.根据权利要求10所述的扩散过滤器，还包括：

多个第一孔，其限定为穿过每个过滤薄层的接近所述第一狭槽的侧向端的一部分，所述第一孔形成用于所述第一流体的次级流动路径；以及

多个第二孔，其限定为穿过每个过滤薄层的接近所述第二狭槽的侧向端的一部分，所述第二孔形成用于所述第二流体的次级流动路径；

其中所述第一和第二孔在所述扩散区内产生梯度。

15.根据权利要求10所述的扩散过滤器，其中所述第一和第二流动路径平行并且以垂直于包含所述薄层的参考平面的角度延伸穿过所述堆叠体。

16.根据权利要求12所述的扩散过滤器，其中所述第一流动路径在从所述第一入口到所述第一出口穿过相邻过滤薄层之间的所述层间空间的交替方向上延伸穿过所述堆叠体，并且所述第二流动路径以垂直于包含所述薄层的参考平面的角度从所述第二入口延伸穿过所述堆叠体到所述第二出口。

17.根据权利要求10所述的扩散过滤器，其中：

所述第一狭槽是限定为穿过每个过滤薄层的第一端的多个第一狭槽，并且所述第二狭槽是限定为穿过每个过滤薄层的与所述第一端相对的第二端的多个第二狭槽；

所述过滤薄层布置在所述堆叠体中，使得每个过滤薄层的所述第一端接近每个相应的相邻过滤薄层的所述第二端，并且所述第一和第二流动路径在从相应入口到相应出口的相邻过滤薄层之间的交替方向上延伸穿过所述堆叠体；以及

所述扩散区被配置成形成延伸穿过相应的相邻过滤薄层的所述第一端与所述第二端之间的所述层间空间的多个流动通道。

18.根据权利要求17所述的扩散过滤器，其中所述第一和第二流动路径在从所述相应入口到所述相应出口的相邻过滤薄层之间的交替方向上逆流穿过所述堆叠体的所述层间空间。

19.根据权利要求10所述的扩散过滤器，其中：

所述第一狭槽被限定为穿过每个过滤薄层的与第二端相对的第一端，并且所述第二狭槽是限定为穿过每个过滤薄层的在所述第一端与所述第二端之间的相对侧的一对侧向狭槽，所述第二狭槽垂直于所述第一狭槽；

所述多个过滤薄层中的至少一个过滤薄层是具有纳米孔阵列的次级过滤薄层，所述纳米孔阵列被限定为穿过所述过滤薄层在所述第一端和所述第二端与相对侧之间的中心部分，所述纳米孔阵列与间隔薄层的所述孔流体连通；以及

所述第一流动路径在从所述第一入口到所述第一出口穿过相邻过滤薄层之间的所述层间空间的交替方向上延伸穿过所述堆叠体，并且所述第二流动路径以垂直于包含所述薄层的参考平面的角度从所述第二入口延伸穿过所述堆叠体到所述第二出口。

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