CN108885203A - 生物流体分离装置 - Google Patents

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Abstract

公开了适于接收具有第一部分和第二部分的生物流体样本的生物流体分离装置。装置包括具有第一室的壳，第一室具有用于在其中接收生物流体样本的第一室入口及第一室出口。壳具有具有第二室入口和第二室出口的第二室，以及分离第一室出口和第二室的至少部分的分离构件。分离构件适于将生物流体样本的第一部分限制在第一室内，并且允许生物流体样本的第二部分的至少部分进入第二室。如真空源的致动器吸引生物流体样本进入第一室，并且吸引第二部分进入第二室。

Description

生物流体分离装置
对相关申请的交叉参考
本申请要求于2016年3月2日提交的、名称为“生物流体分离装置”的美国临时申请序列号62/302,296的优先权，其全部公开内容通过引用由此并入。
发明背景
1.公开领域
本公开总体上涉及适用于生物流体的装置。更具体地，本公开涉及适于分离生物流体的组分的装置。
2.相关领域的描述
血液取样是一种涉及从患者抽(withdrawal)至少一滴血液的常见卫生保健程序(过程，手术，procedure)。通常通过手指刺入、足跟刺入、或静脉穿刺从住院、家庭护理、和急诊室患者采集(taken)血液样本。也可通过静脉或动脉管道从患者采集血液样本。在收集后，可分析血液样本以获得医学上有用的信息，包括例如化学成分、血液学、或凝固作用(coagulation)。
血液测试确定患者的生理和生化状态，如疾病、矿物质含量、药物有效性、和器官功能。血液测试可在临床实验室中或在患者附近的床旁检测(护理点，point-of-care)进行。床旁检测血液测试的一个实例是患者的血液葡萄糖水平的常规测试，其涉及通过手指刺入提取血液并将血液机械收集到诊断盒中。此后，诊断盒分析血液样本，并且为临床医师提供患者的血液葡萄糖水平的读数。其它装置可用于分析血气电解质水平、锂水平、和离子钙水平。一些其它床旁检测装置识别针对急性冠状动脉综合征(ACS)和深静脉血栓/肺栓塞(DVT/PE)的标记。
血液样本含有全血部分和血浆部分。从全血中进行血浆分离传统上已经通过离心实现，其一般花费15至20分钟并且需要繁重的劳动或复杂的工作流程。最近，存在已经用于或尝试分离血浆的其它技术，如沉降、纤维或非纤维膜过滤、侧向流动分离(lateral flowseparation)、微流体交叉流过滤(microfluidics cross flow filtration)、和其它微流体流体动力学分离技术。然而，那些技术中很多具有各种挑战——分类为差的血浆纯度、分析物偏倚或需要特定涂层以防止分析物偏倚、高溶血、需要稀释、长的分离时间、和/或难以回收血浆。例如，大多数基于膜的分离技术遭受分析物偏倚问题，并且通常需要针对目标分析物的特定涂覆处理。
发明概述
本公开提供生物流体分离装置(如血液分离装置)，以及允许在少于1分钟内产生高质量血浆的分离过程。血液分离装置允许诸如真空源的单一压力源，例如，真空采血管(vacutainer tube)，以为血浆分离过程提供动力。该装置设计简单、成本低、且是一次性的。血浆分离过程快速、易于操作、且从全血产生高质量血浆样本。可以将样本大小从微升(micron liter)扩展至毫升。分离过程不需要任何硬件或电力。通过可通过使用注射器抽拉装置(syringe draw)和/或真空采血管而产生的压力进行操作。分离的血浆的质量与通过离心产生的管血浆的质量相当，并且适合于各种诊断需要。
根据本发明的实施方式，生物流体分离装置适于接收具有第一部分和第二部分的生物流体样本。生物流体分离装置包括具有第一室的壳，所述第一室具有用于在其中接收生物流体的第一室入口及第一室出口。壳包括具有第二室入口和第二室出口的第二室，以及分离第一室出口和第二室的至少部分的分离构件。分离构件适于将生物流体样本的第一部分限制在第一室内，并允许生物流体部分的第二部分的至少部分进入(pass into)第二室。生物流体分离装置还包括与壳的部分连通的致动器，使得致动器的致动将生物流体样本吸引至第一室中。
在某些配置中，生物流体是全血，第一部分是红细胞部分，以及第二部分是血浆部分。在使用期间，致动器的致动吸引生物流体的第二部分通过分离构件。致动器可以是真空源，如单一真空源。真空源可以是真空管。
在某些配置中，第二室是血浆收集容器。在其它配置中，以与第二室连通的方式提供血浆收集容器。致动器可以是单一致动器，所述单一致动器向第一室的部分施加压力以将生物流体吸引到第一室中，并且向第二室的部分施加压力以将生物流体的第二部分的部分吸引到第二室中。
分离构件可以是径迹蚀刻膜(track-etched membrane)，如聚碳酸酯径迹蚀刻膜。生物流体分离装置还可包括与第二室的部分连通的通气口。通气口可在其中通气口密封第二室的关闭位置和其中第二室与大气换气的打开位置之间转变。可在生物流体样本的第二部分与生物流体样本的第一部分分离期间以关闭位置提供通气口，并且在生物流体样本的第二部分从第二室移除期间以打开位置提供通气口。
根据本发明的另一个实施方式，生物流体分离装置适于接收具有第一部分和第二部分的生物流体样本。生物流体分离装置包括具有第一室的壳，该第一室具有在其中接收生物流体的第一室入口及第一室出口。壳还包括具有第二室入口和第二室出口的第二室，及分离第一室出口和第二室的至少部分的分离构件。分离构件适于将生物流体样本的第一部分限制在第一室内，并且允许生物流体部分的第二部分的至少部分进入第二室。生物流体分离装置还包括致动器、与致动器和第一室连通的第一管线(line)、和与致动器和第二室连通的第二管线。致动器的致动通过第一管线将生物样本吸引到第一室中，并且通过第二管线将生物样本的第二部分吸引到第二室中。
单一致动器可通过第一管线向第一室的部分提供第一压力，并且通过第二管线向第二室的部分提供第二压力。在某些配置中，生物流体是全血、第一部分是红细胞部分、以及第二部分是血浆部分。致动器可以是真空源，如单一真空源。真空源可以是真空管。
在某些配置中，第二室是血浆收集容器。在其它配置中，生物流体分离装置包括与第二室连通的血浆收集容器。分离构件可以是径迹蚀刻膜，如聚碳酸酯径迹蚀刻膜。
在某些配置中，生物流体分离装置还包括与第二室的部分连通的通气口。通气口可在其中通气口密封第二室的关闭位置与其中第二室与大气换气的打开位置之间转变。可在生物流体样本的第二部分与生物流体样本的第一部分分离期间以关闭位置提供通气口，并且在生物流体样本的第二部分从第二室移除期间以打开位置提供通气口。多孔材料还可设置在第二管线的至少部分内。
附图简述
通过结合附图参考本公开的实施方式的以下描述，本公开的上述和其它的特征和优点及获得它们的方式，将变得更明显并且本公开本身将更好地被理解，其中：
图1是根据本发明的实施方式的生物流体分离装置(如血液分离装置)的示意性横截面表示。
图2是根据本发明的实施方式的图1的血液分离装置的分离构件沿线2-2获取的部分横截面图，其中分离构件将血液样本的血浆部分从血液样本的全血部分分离。
图3是根据本发明的实施方式的图1的血液分离装置的壳的俯视图。
图4是根据本发明的实施方式的图1的血液分离装置的透视图。
图5是列出根据本发明的实施方式的图1的装置的性能测试的输入血液体积和输出血浆体积的表。
图6是列出通过根据本发明的实施方式的图1的装置的性能测试实现的输入血液体积和无第一组成部分的血浆样本的质量的表。
图7是列出根据本发明的实施方式的图1的装置的性能测试的输入血液体积和输出血浆体积的表。
图8是示例由于根据本发明的实施方式的图1的装置的性能测试而得到的输出血浆和废血部分作为肝素浓度的函数的图表。
图9是示例根据本发明的实施方式的示例性建模的流程图。
图10是示例根据本发明的实施方式的用于血液分离装置的径迹蚀刻膜的示意性表示。
图11是示例根据本发明的实施方式的示例性建模的流程图。
图12是示例根据本发明的实施方式的示例性建模的流程图。
图13是示例根据本发明的实施方式的示例性建模的流程图。
在全部几幅视图中相应的参考符号指示相应的部分。本文阐述的范例示例了本公开的示例性实施方式，并且这些范例不应被解释为以任何方式限制本公开的范围。
详细描述
提供以下描述以使得本领域技术人员能够制造和使用考虑用于实施本发明的所描述的实施方式。然而，各种修改、等同物、变化、和替代方案将对本领域技术人员来说仍然是明显的。任何和所有这些修改、变化、等同物、和替代方案都旨在落入本发明的精神和范围内。
为了下文中描述的目的，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“垂直”、“水平”、“顶部”、“底部”、“横向(侧面)”、“纵向”、和其衍生词语应该与本发明相关，因为其在附图中被定向。然而，将理解，除非明确指出相反的情况，本发明可具有替代变化和步骤顺序。还将理解，在附图中示例的和在以下说明书中描述的具体装置和过程仅仅是本发明的示例性实施方式。因此，与本文公开的实施方式相关的具体尺寸和其它物理特性不应被认为是限制性的。
图1示例了生物流体分离装置的示例性实施方式，如本公开的血液分离装置。参考图1和2，本公开的血液分离装置10适于接收具有红细胞部分14和血浆部分16的血液样本12。本公开提供血液分离装置和分离过程，该分离过程允许在少于1分钟内产生高质量血浆，并且血液分离装置允许单一压力源(如真空源或真空采血管)为整个血浆分离过程提供动力。该装置设计简单、成本低、且是一次性的。该血浆分离过程快速、易于操作、并且从全血产生高质量血浆样本。其可以将样本尺寸从微升扩展至毫升。该分离过程不需要任何硬件或电力。其通过可通过使用注射器抽拉装置和/或真空采血管而产生的压力进行操作。分离的血浆的质量与通过离心产生的管血浆相当，并且适合于各种诊断需要。如本文将描述的，在收集血液样本之后，血液分离装置将血液样本的血浆部分分离，并且可允许将血液样本的血浆部分转移至床旁检测测试装置。
参考图1和2，血液分离装置10总体上包括壳20、第一室或血液室22、第一室入口24、第一室出口26、第二室或血浆室28、第二室出口30、分离构件或膜32、致动器34、血浆收集容器36、和通气口38。
在一个实施方式中，壳20限定第一室22和第二室28。第一室22适于接收血液样本12。第一室22包括第一室入口24和第一室出口26，通过第一室入口24引入全血样本，血液样本的分离的第一部分通过第一室出口26离开壳20。第二室28包括与分离构件32直接相邻的第二室入口及第二室出口30。分离构件32设置在第一室22和第二室28之间。
在一个实施方式中，血液室22具有比血液室22的高度或宽度显著更长的血液室长度以提高血浆分离效率。这还可增加血液的流动阻力，并且因此需要更高的压力以驱动血液流过室。在一个实施方式中，更宽的血液室可减少流动阻力和驱动血液流动所需要的压力。在一些实施方式中，针对目标血浆产量和使装置运转的相应动力源来平衡和/或配置血液室几何形状。
分离构件32适于将血液样本12的第一部分14或红细胞部分限制在第一室22内，并且允许第二部分16或血浆部分穿过分离构件32并进入第二室28，如图2所示。进入第一室22的生物流体或血液沿着分离构件32通过，并且第二部分16穿过分离构件32通过第二室入口并进入第二室28，而第一部分14受第一室22限制。在一个实施方式中，第二室28可以是血浆收集容器。在另一个实施方式中，如图4所示，可以与第二室出口30连通的方式提供血浆分离容器136。
分离构件32包括多个孔，所述多个孔被设定尺寸以限制血液样本12的第一部分14，并且允许血液样本12的第二部分16从其穿过。在一种配置中，如图2所示，分离构件32包括多个孔53，所述多个孔53被设定尺寸以防止红细胞、白细胞、血小板和其碎片(第一部分14)穿过分离构件32，而允许血液样本的血浆部分(第二部分16)穿过分离构件32。任选地，分离构件32可以是径迹蚀刻膜。在一个实施方式中，径迹蚀刻膜包括孔尺寸为0.4μm和孔密度为1.5×108/cm2的聚碳酸酯膜。在一个实施方式中，分离构件32包括0.2至1μm的孔尺寸。在一个实施方式中，分离构件32由可以是PC、PET、PP、和/或其组合的材料形成。在一个实施方式中，分离构件32大体上是疏水的。在一个实施方式中，分离构件32的孔密度可以是5×108/cm2至1×106/cm2。在一个实施方式中，分离构件32的厚度可以是8至100μm。在一个实施方式中，分离构件32的水流速度可以以2.5至300mL/min/cm2的范围通过分离构件32。
在其它实施方式中，分离构件32可包括中空纤维膜过滤器或扁平膜过滤器。可选择膜过滤器孔尺寸和孔隙度从而以有效方式优化清洁(即，无红细胞、无白细胞、和无血小板)血浆16的分离。在其它实施方式中，分离构件32可包括能够捕获第一室22中的全血部分14并且允许血浆部分16穿过分离构件32并进入第二室28的任何过滤器。
在一个实施方式中，血液分离装置10包括致动器34。致动器34与第一室22的部分和第二室28的部分连通。在一个实施方式中，单一致动器34的致动向第一室22的部分施加压力以吸引生物流体(如血液样本12)进入第一室22。致动器34的致动还向第二室的部分施加压力以吸引生物流体的第二部分16的至少部分进入第二室28。相应地，当血液样本12沿着第一室22传递时，致动器34的致动有效地吸引血液样本12的第二部分16通过分离构件32。分离构件32限制第一室22中的全血部分14，并且允许血浆部分16穿过分离构件32并进入第二室28。
在一个实施方式中，如图1所示，致动器34为单一致动器，其向第一室22的部分提供第一压力P1并向第二室28的部分提供第二压力P2。在某些配置中，以与第二室28的部分连通的方式提供通气口38。通气口可在关闭位置(其中通气口密封第二室28并允许通过致动器34向第二室28提供压力P2)和打开位置(其中第二室28与大气换气)之间转变。可在生物流体样本12的第二部分16与生物流体样本12的第一部分14分离期间以关闭位置提供通气口38，并在生物流体样本12的第二部分16从第二室28移除期间以打开位置提供通气口38，如通过断开血浆收集容器136，如图4所示。
再次参考图1，血液分离装置10包括血液室22、血浆室28、和分离构件32，血液分离装置10通过压力源(例如，致动器34)操作以驱动血液流动和血浆流动。致动器34可为真空源。在一些实施方式中，真空源可来自注射器、真空采血器(vacutainer)、或其它真空发生器，如Fluigent仪器。在其它实施方式中，可通过使用手动或经注射器泵拉动的注射器以产生真空来实现实际真空源。动力源还可以是真空采血器、或其它真空管。在替代实施方式中，可通过从血液入口侧(例如，第一室入口24)推动血液以流过分离构件32来实现血浆分离。在这种情况下，压力源是可通过注射器或压缩空气或其它气态介质产生的正压力。
在一个实施方式中，使用本公开的血液分离装置10的血液流动和血浆分离由在入口(例如，第一室入口24)和出口(例如，第一室出口26和/或第二室出口30)处的压力提供动力。在一个实施方式中，在血液入口(例如，第一室入口24)处的压力可设定为零，而在第一室出口26处的压力可设定在-5psi。在一个实施方式中，在血浆出口(例如，第二室出口30)处的压力可设定在-2psi。在一个实施方式中，压力源为真空源。
在一个实施方式中，通气口38在血浆分离过程期间被阻塞，并且在血浆分离过程结束时任选地被打开以从血浆室28回收所有血浆16。压力设定可调节到特定流动(或剪切)速度。为了实现短的分离时间，更高的流动速度和剪切速度是期望的。在一个实施方式中，使用本公开的血液分离装置10可实现3至5mL/min的血液流动速度。
在一个实施方式中，压力源是当血液流动通过室时驱动血液流动并产生跨膜压力的压力。在一个实施方式中，跨膜压力应该足够大以驱动血浆流动穿过分离构件32，而又足够小以使血细胞免于卡在孔进口处或被拖拉通过膜孔。在一个实施方式中，“净跨膜压力”应该小于5psi，优选地小于2.5psi。
在一个实施方式中，驱动血液流动的压力应该与室几何形状和目标流动速度相匹配。流动速度(与流体动力学更相关的是壁剪切速度)应该是均匀的并且足够大以防止红细胞沉积到膜表面上(饼块(结块，cake)层形成)。剪切速度应该低于阈值以防止剪切引起的溶血。剪切引起的溶血也依赖于剪切下的停留时间。应该控制来自剪切和时间的组合效应。
本公开的血液分离装置10提供具有大的室长度、小的室高度、和大的室宽度的平衡血液室，其具有优异的分离效率。在分离时间和输入血液体积的设计目标内，压力设定允许高的流动速度和剪切速度。在分离过程期间，压力设定还允许适当的跨膜压力。当血液在膜表面上流过室时，剪切速度防止血液饼块形成。
再次参考图1，现在将描述本公开的血液分离装置10的应用。在一个实施方式中，如上所述，血液分离装置10包括由分离构件或膜32(例如，径迹蚀刻膜)隔开的血液室22和血浆室28。在一个实施方式中，膜32是血液室22的部分并且同时是血浆室28的部分。血液室22具有血液入口(例如，第一室入口24)和出口(例如，第一室出口26)。血浆室28具有一个或多个出口，例如，第二室出口30。血液通过血液室22的入口24流入并在膜32表面上切向地流动，并且从血液室22的出口26离开。血浆16流动穿过膜32并进入血浆室28，其可被收集或储存在次级血浆容器(例如，血浆收集容器36)中，用于进一步诊断测试。例如，在一个实施方式中，在分离后，血液分离装置10能够将血液样本的血浆部分转移到床旁检测测试装置。
在一个实施方式中，血液室22可被设计以允许血液在膜32表面上切向流动，其可具有不同形状，如但不限于矩形、螺旋形、或蛇形等。室的尺寸可变化以满足对血浆体积的应用需要。血液室22的入口24和出口26可处于非过滤区域以使切向流动最大化。在一个实施方式中，血浆室28可匹配血液室22以允许膜32的有效利用。在一个实施方式中，参考图3，设计实例可包括矩形室。
在一个示例性实施方式中，血液室22具有10mm的宽度W，50mm的长度L，其中入口24和出口26位于血液室22的各端。在一个实施方式中，血液室22具有0.08μm的高度H。在一个实施方式中，血浆室具有10mm的长度L、4mm的宽度W、和0.2μm的高度H。在一个实施方式中，在血浆室28内形成脊以支撑膜32。膜32可任选地固定到脊上以防止下陷。可选地，可在血液室22中或两个室上构建脊。在一个实施方式中，径迹蚀刻膜是孔尺寸为0.4μm和孔密度为1.5×108/cm2的聚碳酸酯膜。
图4示例了本公开的血液分离装置的另一个示例性实施方式。参考图4和2，本公开的血液分离装置100适于接收具有全血部分14和血浆部分16的血液样本12。本公开提供血液分离装置和分离过程，该分离过程允许在少于1分钟内产生高质量血浆，以及该血液分离装置允许单一压力源(如真空采血管)为整个血浆分离过程提供动力。该装置设计简单、成本低、且是一次性的。血浆分离过程快速、易于操作，并且从全血产生高质量血浆样本。其可以将样本尺寸从微升扩展至毫升。分离过程不需要任何硬件或电力。其通过可通过使用注射器抽拉装置和/或真空采血管所产生的压力进行操作。所分离的血浆的质量与通过离心产生的管血浆的质量相当，并且适合于各种诊断需要。
在一个实施方式中，在收集血液样本之后，血液分离装置100能够从全血部分分离血液样本的血浆部分，如下面更详细地描述。在一个实施方式中，在分离之后，血液分离装置100能够转移血液样本的血浆部分到床旁检测测试装置。
参考图4，血液分离装置100总体上包括壳120、第一室或血液室122、第一室入口124、第一室出口126、第二室或血浆室128、第二室出口130、分离构件或膜132、致动器134、血浆收集容器136、第一管线或血液管线150、第二管线或血浆管线152、和合并管线154。在一个实施方式中，第一管线150和第二管线152合并成管线154。
在一个实施方式中，壳120限定第一室122和第二室128。第一室122适于接收血液样本12。第一室122包括第一室入口124和第一室出口126。第二室128包括第二室出口130。在一个实施方式中，血液分离装置100包括设置在第一室122和第二室128之间的分离构件132。
分离构件132适于捕获第一室122中的全血部分14，并且允许血浆部分16穿过分离构件132并进入第二室128，如图2中所示。
在一个实施方式中，分离构件132包括径迹蚀刻膜。在一个实施方式中，径迹蚀刻膜包括孔尺寸为0.4μm和孔密度为1.5×108/cm2的聚碳酸酯膜。在一个实施方式中，分离构件132包括0.2至1μm的孔尺寸。在一个实施方式中，分离构件132由可以是PC、PET、PP、或其它材料的材料形成。在一个实施方式中，分离构件132是疏水的。在一个实施方式中，分离构件132的孔密度可以是5×108/cm2至1×106/cm2。在一个实施方式中，分离构件132的厚度可以是8至100μm。在一个实施方式中，分离构件132的水流速度可以2.5至300mL/min/cm2的范围通过分离构件132。
在其它实施方式中，分离构件132可以是中空纤维膜过滤器或扁平膜过滤器。可选择膜过滤器孔尺寸和孔隙度从而以有效方式优化清洁(即，无红细胞、无白细胞、和无血小板)血浆16的分离。在其它实施方式中，分离构件132可包括任何过滤器，所述任何过滤器能够捕获第一室122中的全血部分14，并且允许血浆部分16穿过分离构件132并进入第二室128。
在一个实施方式中，第一管线150与致动器134和第一室出口126连通。在一个实施方式中，第二管线152与致动器134和第二室出口130连通。
在一个实施方式中，血液分离装置100包括与第二室出口130连通的血浆收集容器136。血浆收集容器136能够收集并储存分离的血浆16。
在一个实施方式中，血液分离装置100在第二管线152内包括多孔材料。
在一个实施方式中，血液分离装置100包括致动器134。致动器134通过第一管线150与第一室122的部分连通并且通过第二管线152与第二室128的部分连通。在一个实施方式中，致动器134的致动将血液样本12吸引到第一室122中，并且分离构件132适于允许血液样本12的血浆部分16穿过分离构件132到第二室128。在一个实施方式中，分离构件132适于捕获第一室122中的全血部分14，并且允许血浆部分16穿过分离构件132并进入第二室128。
在一个实施方式中，血液分离装置100包括血液室122、血浆室128、和分离构件132，所述血液分离装置100通过压力源(例如，致动器134)进行操作，以驱动血液流动和血浆流动。在一个实施方式中，致动器134是真空源。
在一个实施方式中，单一致动器通过第一管线150向第一室122的部分提供第一压力，并且通过第二管线152向第二室128的部分提供第二压力。
具有管线150、152的血液分离装置100提供仅需要一个压力源来驱动装置的血液侧和血浆侧两者的系统。血液分离装置100将两个管线150、152合并成一个合并管线154。在一个实施方式中，将多孔材料添加到血浆真空管线152以产生空气流动阻力。当真空源连接到合并真空管线154时，大部分动力源通过管线150被引导到血液室122并为血液流动提供动力。小部分的真空通过管线152被引导到血浆室128以驱动血浆流动和跨膜压力。抵抗件(resister)可以是具有1微米孔尺寸的多孔聚合盘，如可从Porax商购的那些。然而，应当注意，多孔材料可以处于多种形式，如纤维、烧结的聚合材料、多孔金属、或任何其它空气可渗透材料。可选地，其还可以是构建在装置上的抵抗空气流动的小管或通道。两个真空管线和多孔材料的合并体(merger)也可直接构建或并入于装置上。
血液分离装置100的替代设计可并入类似于血浆容器的血液容器，用以收集血液废物，而不是利用真空采血管作为废血的容器。当使用集中式真空源时，这可能是有益的。
有利地，本公开的血液分离装置100允许单一压力源为整个血浆分离过程提供动力。
在一个实施方式中，装置设计参数(平衡血液室高度、宽度、和长度)匹配过程参数设定(分别用于驱动血液流动和用于提供跨膜压力的压力P1和P2)。匹配的系统提供目标流动速度和剪切速度，使得防止了在膜表面上的饼块形成。跨膜压力驱动血浆流动穿过膜。如果设计和过程参数不匹配，则血浆产量将是低的和/或将发生溶血。如果实现了一定的流动速度和沿着膜的长度的跨膜压力的均匀性，则该匹配受控于设计参数。跨膜压力均匀性受沿着血液室中的室长度的压降影响。
在一个实施方式中，流动抵抗件设计及其在装置中的并入允许一个单一压力源驱动血液流动并形成跨膜压力。抵抗件允许小部分的共有真空源被引导到血浆侧并提供足够的压力以驱动血浆流动。流动抵抗件以这样的方式——其允许限制血浆侧的气流但不进入血浆路径——进行构建。这简化了动力源要求和血浆分离过程。例如，可通过将装置连接到血液源并将真空采血器通至装置来实现血浆分离。在少于一分钟内将血浆分离。当与提供缓慢的方法学和低血浆产量(如在10分钟内血浆产生值为50μL或更少)的先前设计相比时，此结果被认为是优异的。
本公开的血液分离装置提供显著提高的性能。本公开的装置和方法利用三分之一的先前设计的膜尺寸在少于1分钟内产生约400μL血浆。在一个实施方式中，本公开的血液分离装置使用10mm×50mm×0.08mm的血液室尺寸和10mm×40mm×0.2mm的血浆室尺寸，其中有效分离膜面积为10mm×40mm。血液流动速度为3mL/min，并且压力设定对于血液侧为5psi真空，而对于血浆侧为2psi真空。输入血液的血细胞比容为38％。如图5所示，过程在一分钟中产生约400μL高质量血浆，而溶血非常的低，如由血浆样本中低的血红蛋白水平所指示。图5示例了在38％血细胞比容的正常肝素化全血的情况下使用本公开的血液分离装置的血浆分离性能。
通过使用本公开的方法和血液分离装置分离的血浆样本还利用Sysmex进行分析以确定残留细胞。血浆的纯度与通过常规离心过程获得的对照样本相当，如图6所示。测试来自不同供体的血液样本，并且均一致地在本公开的血液分离装置上执行。图6示例了在46％血细胞比容的正常肝素化全血的情况下使用本公开的血液分离装置分离的样本通过Sysmex确定的血浆纯度。本公开的方法和血液分离装置在更高的血细胞比容(55％)的全血的情况下同样进行非常良好。如图6中所示，在3mL的输入体积的情况下，产量为约250μL。
图7示例了在55％血细胞比容的肝素化全血的情况下使用本公开的血液分离装置的血浆分离性能。对于高血细胞比容输入血液样本，血浆样本也具有非常低的溶血。
在血浆分离之前没有添加抗凝血剂的正常新鲜血液的情况下使用本公开的方法和血液分离装置也成功地实施了血浆分离。这允许本公开的装置直接利用从管线抽吸的血液样本来工作，而不需要将抗凝血剂添加到血液样本。当装置在室中以目标剂量装载肝素时，其可在分离过程期间稳定血液和血浆。肝素浓度可被设计以匹配5至28IU/mL的管血液(tube blood)规格。产生的血浆样本是稳定的且适合于进一步诊断目的。使用肝素活性测试获得图8的数据。
图8示例了在42.6％血细胞比容的正常新鲜血液(在血浆分离之前没有添加抗凝血剂)的情况下使用本公开的方法和血液分离装置成功地实施了血浆分离。将抗凝血剂(肝素)应用在装置室上，并且在血浆分离过程期间混合到血液和血浆中。在此同样注意，本公开的生物流体分离装置10可用于其它样本管理目的，如细胞分离、纯化、和样本浓缩。
在此注意，使用该发明产生的血浆含有诊断相关的分析物。可从使用该技术分离的血浆直接测试的分析物的实例包括，但不限于一般化学组(chemistry panels)(例如钾、钠、钙、镁、氯化物、磷酸盐)、甘油三酯、胆固醇、高密度脂蛋白(HDL)-胆固醇、低密度脂蛋白(LDL)-胆固醇、C反应蛋白质(CRP)、天冬氨酸转氨酶/谷氨酸草酰乙酸转氨酶(AST/GOT)、脂肪酶、白蛋白、胆红素、葡萄糖、肌酸酐、IgG、铁蛋白(ferritine)、胰岛素、类风湿因子和前列腺特异性抗原(PSA)；激素，如甲状腺刺激激素(TSH)、游离T3、总T3、游离T4、总T4、促卵泡激素(FSH)和β人绒毛膜促性腺激素(human chorionic gondatropin，hCG)；维生素，如维生素D和维生素B12；和心脏标记物(cardiac markers)，如肌钙蛋白(cTnI、cTnT)、b型尿钠肽(BNP)、NTproBNP、D-二聚体、肌酸激酶(CK)、CK-MB、肌红蛋白中的那些。可由使用该技术分离的血浆测试的额外分析物包括，但不限于核酸(例如，循环的无细胞DNA、微小RNAs)、外来体、DNA病毒(例如，乙型肝炎)和RNA病毒(例如，HIV)。
参考图9-13，本公开的另一方面是一套快速运行的、在二氧化硅中的(in-silica)分析模型，所述分析模型将交叉流过滤、流体动力学输送、以及来自过滤和剪切力的溶血的物理学结合。这种模型计算：(A)人血液在高剪切速度条件下作为血细胞比容的函数的代表性粘度；(B)在过滤表面上的矩形通道中的代表性压降、流动速度、壁剪切应力、壁剪切速度、和代表性流体停留时间；(C)通过具有代表性孔半径的过滤膜的由交叉流过滤产生的血浆体积和通过过滤表面的血浆体积流动速度；以及(D)由剪切和过滤力引起的溶血的风险评估。
在一个实施方式中，本公开的模型可编码成科学计算机语言MATLAB，并且来自指定模型输入并实行分析的受训用户。在少于一分钟内进行计算，并且基于产生的血浆的潜在体积、所需要的流体动力学(流动、压力、和剪切)、和溶血风险，用户具有对设计的几何形状和/或操作条件的可行性的快速反馈。
本公开的模型是有利的，因为它们能够在更短的时间内提供相同广度的信息。例如，提供相同广度的信息的现有模型花费几周或甚至几个月来完成单一几何形状的单一计算或评估。而且，现有技术模型需要更多额外参数，每个额外参数需要它们自己的详细研究以确定适当的值。相反，现有快速运行的模型面向个别物理学领域，并且在工作时不会结合或考虑其它物理学(例如，对局部流体动力学环境的过滤性能或对局部流体动力学和过滤条件两者的溶血依赖性)。
本公开的模型的另一改进是使用基于函数和计算脚本(一个或多个)布置(arrangements)在MATLAB中执行所有计算。编码风格利用(leverage)面向对象编程技术的即插即用能力以供将来使用。另外，构建MATLAB代码能够通过概率性的或优化技术快速探索大的设计空间。
先前的现有技术模型具有以下限制中的一个或多个：(1)太长的运行时间，(2)不提供足够的信息，(3)过于简单化，和/或(4)不以可用于自动探索可能的设计空间的格式执行。
本公开的模型提供运行时间和模型精确度/复杂性的平衡，这通过选择快速运行分析模型和适用于从未稀释的全血的血浆过滤的目标关键增强点来实现。通过使用对稳健性和即插即用能力的内存管理和代码开发的良好实践执行在MATLAB科学计算语言中的模型能够实现启动自动探索。
所开发的模型的性质将进行一些大的简化假设，这些简化假设将使此关系包括在需要恒定粘度的分析流体动力计算中。在血液于矩形微通道中流动期间，该技术允许粘度随血细胞比容而改变，但在工作时的不同流体力下保持粘度恒定。
能够实现分析模型的数学推导的假设包括：在剪切和压力的流体力下的恒定流体性质、无重力、充分发展的(full-developed)流动、关于时间的稳定(恒定/不变)流动条件、以及血液流动发生在具有矩形横截面的通道中。
设计溶血模型以捕获红细胞损伤作为机械负荷和暴露时间的函数的相关性。包括在该套模型中的两个机械载荷机制是由一般流体流动(general fluid flow)引起的剪切应力和由在过滤膜的孔内捕获(截留，entrapped)的细胞引起的过滤力。流体剪切应力主要认为在剪切力处于它们的最大值的非移动壁处。
剪切应力和暴露时间的阈值用作人红细胞的一个溶血标准。第二个溶血标准是用于由在过滤孔中的细胞捕获引起的红细胞膜的机械载荷的模型。因此，评估它们是否在计算的溶血阈以下的两个流体值是壁剪切应力和沿着微通道长度的压降。
该套模型也得到经验数据的支持，相比来自体相(bulk)流体剪切力的剪切诱导溶血，来自过滤和过滤膜孔堵塞的机械力具有更高的溶血风险。
本公开的模型包括用于单程交叉流过滤的一套分析模型。本公开的模型提供具有预期用途的增强分析建模导论(introduction)，用于探索广范的操作和设计参数、速度优先于精确度、并且尝试利用仍维持快速计算时间的目标模型改进来增强精确度。
参考图9，示例了本公开的示例性考虑的第一流程图。
参考图10，本公开的交叉流过滤概念包括径迹蚀刻膜(TEM)，沿着TEM上的通道的压降有助于跨膜压力驱动血浆穿过TEM，并且横过TEM的流动有助于防止孔堵塞和膜污染。
在一个实施方式中，该套分析模型和计算的输入包括(1)过滤之前的全血血细胞比容，(2)TEM上的通道的尺寸，包括高度、宽度、和长度，(3)过滤的持续(时间)，以及(4)流动条件，包括横过TEM的血液体积流动速度、沿着TEM上的通道的压降、以及在过滤时间期间在TEM上输送的血液体积。
在一个实施方式中，该套分析模型和计算的输出包括(1)穿过TEM的血浆流动速度，(2)过滤期间后的净血浆产量，以及(3)通过流体剪切应力和在TEM孔内的红细胞捕获的溶血可能性，包括确保壁剪切应力在公布的临界值(1500达因/cm2)以下和确保沿着TEM的剪切速度和最大跨膜压力使红细胞膜张力保持在临界值以下。
参考图11-13，示例了本公开的示例性实施方式的额外的流程图。
本公开的模型包括以下计算假设和限制。血液输送具有仅依赖于血细胞比容的粘度，并且使用混合物的线性规则计算密度。流体动力学计算包括以下内容：(1)具有矩形横截面的通道，(2)随时间恒定的稳定状态条件，(3)在所有通道尺寸上的恒定血细胞比容，(4)在TEM长度上不降低的横过TEM的流动速度，以及(5)与通道宽度和长度相当(equal)的TEM宽度和长度。过滤模型包括(1)已经润湿的TEM，(2)随时间恒定的稳定状态条件，(3)仅包括在(计入，included in)横过TEM的流动速度中的通道宽度，(4)使用横过TEM的流动速度而不是跨膜压力，以及(5)血浆流动速度或产量计算中不包括饼块层形成。溶血模型包括细胞和TEM之间的接触时间与沿着TEM的剪切速度的倒数线性相关，并且沿着TEM上的通道的压降与最大跨膜压力相当。
本公开的模型包括以下推荐用途：(1)减少由于红细胞(red blood)剪切应力和红细胞捕获引起的所选的操作参数的溶血风险，(2)平衡或调整系统物理学：在减少溶血风险而又产生足够量的过滤血浆的情况下膜上通道中的流动速度、在不同尺寸通道中的压降和流动速度、和最大化血浆体积同时确保最小的溶血，以及(3)确定流过膜的血液量以产生足够量的过滤血浆。
虽然已经将本公开描述为具有示例性设计，但可在本公开的精神和范围内进一步修改本公开。因此，本申请意图涵盖使用其一般原理的本公开的任何变化、应用、或改编。进一步，本申请旨在覆盖本公开内容的这种偏离，这些偏离属于本公开所属领域的已知或惯常实践，并且落入所附权利要求的限制内。

Claims (23)

1.生物流体分离装置，适于接收具有第一部分和第二部分的生物流体样本，所述生物流体分离装置包括：
壳，包括：
第一室，其具有用于在其中接收所述生物流体样本的第一室入口和第一室出口，
第二室，其具有第二室入口和第二室出口，以及分离所述第一室出口和所述第二室的至少部分的分离构件，其中所述分离构件适于将所述生物流体样本的所述第一部分限制在所述第一室内，并且允许所述生物流体样本的所述第二部分的至少部分进入所述第二室；以及
致动器，其与所述壳的部分连通，其中所述致动器的致动吸引所述生物流体样本进入所述第一室。
2.权利要求1所述的生物流体分离装置，其中所述生物流体样本是全血，所述第一部分是红细胞部分，并且所述第二部分是血浆部分。
3.权利要求1所述的生物流体分离装置，其中所述致动器的致动吸引所述生物流体样本的所述第二部分穿过所述分离构件。
4.权利要求1所述的生物流体分离装置，其中所述致动器是真空源。
5.权利要求4所述的生物流体分离装置，其中所述真空源是真空管。
6.权利要求1所述的生物流体分离装置，其中所述第二室是血浆收集容器。
7.权利要求1所述的生物流体分离装置，进一步包括与所述第二室连通的血浆收集容器。
8.权利要求1所述的生物流体分离装置，其中所述致动器是单一致动器，所述单一致动器向所述第一室的部分施加压力以吸引所述生物流体样本进入所述第一室，并且向所述第二室的部分施加压力以吸引所述生物流体样本的所述第二部分的部分进入所述第二室。
9.权利要求1所述的生物流体分离装置，其中所述分离构件包括径迹蚀刻膜。
10.权利要求9所述的生物流体分离装置，其中所述径迹蚀刻膜是聚碳酸酯膜。
11.权利要求1所述的生物流体分离装置，进一步包括与所述第二室的部分连通的通气口，所述通气口可在其中所述通气口密封所述第二室的关闭位置和其中所述第二室与大气换气的打开位置之间转变。
12.权利要求11所述的生物流体分离装置，其中所述通气口在所述生物流体样本的所述第二部分与所述生物流体样本的所述第一部分分离期间以所述关闭位置提供，并且在所述生物流体样本的所述第二部分从所述第二室移除期间以所述打开位置提供。
13.生物流体分离装置，适于接收具有第一部分和第二部分的生物流体样本，所述生物流体分离装置包括：
壳，包括：
第一室，其具有用于在其中接收所述生物流体样本的第一室入口和第一室出口，
第二室，其具有第二室入口和第二室出口，以及分离所述第一室出口和所述第二室的至少部分的分离构件，其中所述分离构件适于将所述生物流体样本的所述第一部分限制在所述第一室内，并且允许所述生物流体样本的所述第二部分的至少部分进入所述第二室；
致动器；
第一管线，其与所述致动器和所述第一室连通；以及
第二管线，其与所述致动器和所述第二室连通，
其中，所述致动器的致动通过所述第一管线吸引所述生物流体样本进入所述第一室，并且通过所述第二管线吸引所述生物流体样本的所述第二部分进入所述第二室。
14.权利要求13所述的生物流体分离装置，其中单一致动器通过所述第一管线向所述第一室的部分提供第一压力，并且通过所述第二管线向所述第二室的部分提供第二压力。
15.权利要求13所述的生物流体分离装置，其中所述生物流体样本是全血，所述第一部分是红细胞部分，并且所述第二部分是血浆部分。
16.权利要求13所述的生物流体分离装置，其中所述致动器是真空源。
17.权利要求16所述的生物流体分离装置，其中所述真空源是真空管。
18.权利要求13所述的生物流体分离装置，其中所述第二室是血浆收集容器。
19.权利要求13所述的生物流体分离装置，进一步包括与所述第二室连通的血浆收集容器。
20.权利要求13所述的生物流体分离装置，其中所述分离构件包括径迹蚀刻膜。
21.权利要求13所述的生物流体分离装置，进一步包括与所述第二室的部分连通的通气口，所述通气口可在其中所述通气口密封所述第二室的关闭位置和其中所述第二室与大气换气的打开位置之间转变。
22.权利要求21所述的生物流体分离装置，其中所述通气口在所述生物流体样本的所述第二部分与所述生物流体样本的所述第一部分的分离期间以所述关闭位置提供，并且在所述生物流体样本的所述第二部分从所述第二室移除期间以所述打开位置提供。
23.权利要求13所述的血液分离装置，进一步包括设置在所述第二管线的至少部分内的多孔材料。
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