CN1245498C - 细胞过滤器 - Google Patents

Abstract

细胞过滤器是一种用于细胞过滤和分离的微流体器件。该过滤器由一个封闭的流体通道作为细胞过滤器腔体(1)，在细胞过滤器腔体的两端设有流体的输入端口(2)和流体输出端口(3)，在流体的输入端口和流体输出端口之间设置细胞过滤装置即细胞颗粒阻挡器(4)，在细胞颗粒阻挡器旁为流体池(5)。细胞阻挡结构可阻挡流体中较大的细胞，并使之聚集在流体池中，并被流体池中的相关抗体所捕获。通过外加的物理或化学作用，使其破碎或灭活，达到细胞过滤的作用。该器件可用于血液中肿瘤细胞的清除，在降低肿瘤病人手术后的肿瘤细胞的转移风险，抑制肿瘤的扩散和复发，提高肿瘤病人的治疗效果等方面具有重要的应用前景。

Description

细胞过滤器

                        技术领域

本发明是一种可用于分离血液、淋巴液等体液，以及其他含有细胞等微小颗粒的流体，特别是可用于肿瘤细胞的现场在线快速分离、检测、灭活和(或)破碎，达到清除体液中肿瘤细胞的目的，属生物医学工程设备制造的技术领域。

                        背景技术

近年来，肿瘤已成为威胁人类健康的重大疾病之一。其发生率大幅度增加，肿瘤发生趋于低龄化。肿瘤的治疗主要为手术治疗、放疗、化疗等方法。但是，目前这些方法治疗效果有限，特别是晚期病人的治愈率很低。

肿瘤病情发展的一个主要因素是肿瘤细胞的转移。它是由肿瘤细胞通过血液、淋巴液等体液转移到身体的其他组织和器官上引起的。阻止肿瘤细胞通过体液转移，可减轻或解决肿瘤细胞的扩散，达到减缓病情、治愈肿瘤的目的。

目前，从血液中分离细胞的实验室方法较多。例如：离心方法、膜吸附方法等。但这些方法目前尚不能直接应用于临床。主要原因有下面几个方面：(1)血液成份比较复杂，很难用离心或膜吸附的方法把微量的肿瘤细胞从复杂的血细胞中分离出来；(2)体液中存在大量的细胞，一般直接过滤方法很容易堵塞过滤通道；(3)对于早中期的肿瘤患者，血液中的肿瘤细胞很少。目前的过滤方法不能对大量血液中微量肿瘤细胞实现有效的分离。(4)肿瘤发展过程中肿瘤细胞将会不断进入血液、淋巴液中，分离和过滤要求适时在体进行。但目前的方法只能是离体操作，仅在有特殊条件的医院才能开展血液细胞的分离工作，并且成本很高。目前，临床上还没有用于直接从血液、淋巴液中分离肿瘤细胞的器件。

通常肿瘤细胞的体积是正常血细胞的若干倍。本发明的目的就是设计一种微流体器件，可以对大流量体液中微量的肿瘤细胞进行高效分离，并避免产生流道的堵塞现象。并且对于被分离出的肿瘤细胞，通过物理(光、电、声和热)或化学的处理后，可直接进入血液循环。从而实现实时在线清除血液中肿瘤细胞的作用。

                          发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种细胞过滤器，该细胞过滤器能在血液等体液中实现细胞的在线分离，能够实现对大流量体液中的极微量的体积较大的细胞进行分离。

技术方案：本发明提出了一种基于细胞体积大小差异的细胞过滤器件。该过滤器由一个封闭的流体通道作为细胞过滤器腔体，在细胞过滤器腔体的两端设有流体的输入端口和流体输出端口，在流体的输入端口和流体输出端口之间设置细胞过滤装置即细胞颗粒阻挡器，在细胞颗粒阻挡器旁为流体池。其中的细胞颗粒阻挡器是一种狭缝状过滤结构，即在该细胞颗粒阻挡器中开有一条或多条狭缝；细胞颗粒阻挡器也可以是一种栅状结构，即在该细胞颗粒阻挡器中制备有多根柱体，形成一层或多层栅状的阻挡装置。细胞颗粒阻挡器还可以是一种网孔状结构，细胞颗粒阻挡器有多个，排列在细胞过滤器腔体中，细胞颗粒阻挡器是一种由狭缝状、栅状、以及网孔状结构中任意二种或三种结合的组合形成的复合结构。在流体池、细胞颗粒阻挡器上附着有可捕获特定细胞的蛋白质；在细胞过滤器腔体中或外表面设有检测细胞的传感器；在细胞过滤器腔体中或外表面安装有光、电、声、热等能量发生元件；在细胞过滤器腔体中设有化学物质加入通道。

本器件采用的基本结构为采用一个或若干由颗粒阻挡结构(如狭缝状、栅状、孔状等)和流体池组成的复合结构，也可把多个上述复合结构联结在一起。当血液流过微流体器件时，颗粒阻挡结构把体积较大的细胞阻挡在其上游的流体池中，实现把细胞过滤出来目的。

本发明在流体池的表面固定有可特异性结合细胞的蛋白质(如抗人上皮细胞的表面抗体、白血病细胞的表面抗体等)，也可在液体池中加入固定有上述抗体的微珠，捕获已分离后的细胞，便于将它们进行清除。

本发明还可在流体池中或流体池外设置传感器来检测流体池中聚集的细胞数量。细胞检测传感器可以选择电极传感器、光散射传感器、声学传感器、热能传感器等。

本发明还可在流体池中或流体池外设置用于杀灭细胞的装置。细胞灭活装置可以选择电击穿方式、紫外等光灭活方式、超声振动细胞灭活方式、加热灭活方式等。

本发明还可在细胞过滤器中设置加入杀灭细胞的化学物质的装置。化学物质的引入可以通过一微流体通道进行，通过阀和泵来控制化学物质的加入量；也可以预先装入细胞过滤器中，通过电场、磁场、光能、声能、热能等以及它们的组合来控制药物的释放，达到细胞灭活的目的。

本发明的微流体细胞过滤器可以在细胞过滤器腔体的流道上设置流体泵，从而可以把体液直接泵入细胞过滤器的流体通道内，并控制体液的流速。

本发明的微流体细胞过滤器可以在很大的体液流量下对微量的肿瘤细胞进行分离；当细胞检测器指示出在流体池中聚集存在有一定量的肿瘤细胞后，实施细胞的破碎操作和灭活操作。也可以在细胞分离过程中同时实施细胞的破碎操作。

有益效果：本发明提出的细胞过滤器具有如下优点：

(1)本细胞过滤器的一个十分重要的结构特点是带有流体池的颗粒阻挡结构，较大的细胞被阻挡在阻挡坝前面时，它们不会停留在流体通道的前面，造成通道的阻塞，从而可以在保证较大流体通量的情况下，实现肿瘤等体积较大细胞的分离。

(2)本细胞过滤器的另一个特点是把多个带有流体池的流体阻挡结构联结在一起，实现多级过滤，大大提高肿瘤等细胞的过滤效率。即可以对血液中的大量肿瘤细胞进行有效过滤，也可以对血液中微量肿瘤细胞进行可靠和有效的清除。

(3)在细胞过滤器中加入可捕捉相应细胞的蛋白质分子，并引入细胞传感器，如电导细胞传感器、光散射传感器等对分离的细胞数量进行检测。

(4)在细胞过滤器中通过超声细胞破碎、电压击穿破碎、光照灭活细胞、加热灭活细胞等。这些灭活的肿瘤细胞碎片重新进入人体后，有可能激活人体对肿瘤细胞的免疫系统，增强人体对于肿瘤细胞的免疫作用。

(5)本细胞过滤器运用微加工技术进行。细胞过滤器的体积可以很小，便于病人随身的安装和携带，可适时对人体内的病变细胞加以清除；甚至可植入体内进行肿瘤细胞的清除。

(6)微流体器件可进行大批量化生产，利用的资源少，批量化生产成本低。

                        附图说明

图1是本发明提出的细胞过滤器的剖视结构示意图。

图2是细胞颗粒阻挡器4为一种狭缝状过滤结构6的结构示意图。

图3是细胞颗粒阻挡器4为一种栅状结构7的结构示意图。

图4是细胞颗粒阻挡器4为一种网孔状结构8的结构示意图。

其中有细胞过滤器腔体1，流体输入端口2、流体输出端口3、细胞颗粒阻挡器4、流体池5、狭缝状过滤结构6、栅状结构7、网孔状结构8、检测细胞的传感器9、能量发生元件10、流体泵12。

                        具体实施方式

具体来说，本发明的细胞过滤器的主要特征为：1)、在一个封闭的流体通道中有流体的输入和输出端口，在流体的输入和输出端口之间设置颗粒阻挡结构；2)、在邻近颗粒阻挡结构旁有流体池；3)、在器件的流体通路上包含的流体池和颗粒阻挡结构组成的复合结构可以是多个联结在一起的组合结构。即该过滤器由一个封闭的流体通道作为细胞过滤器腔体1，在细胞过滤器腔体1的两端设有流体输入端口2和流体输出端口3，在流体的输入端口2和流体输出端口3之间设置细胞过滤装置即细胞颗粒阻挡器4，在细胞颗粒阻挡器4旁为流体池5。

上述细胞过滤器中的颗粒阻挡结构可以是狭缝状的颗粒阻挡结构，如；一种坝状结构(如图2)。

上述细胞过滤器中的颗粒阻挡结构可以是栅状结构(如图3)。

上述细胞过滤器中的颗粒阻挡结构可以是网孔状结构(如图4)。

上述细胞过滤器中颗粒阻挡结构可由上述狭缝状、栅状、和网孔状结构中的任意二种或全部三种结构组合形成的复合结构。

上述细胞过滤器中设有细胞传感器，如光散射细胞传感器、石英晶振细胞检测传感器、或电导细胞传感器等用于检测被分离细胞的数量。

上述细胞过滤器中，其流体池中设有破坏细胞的物理装置，如光、电、声、热等发生器。如脉冲电场击穿装置、电加热片等。

上述细胞过滤器的流体池中细胞过滤器，其流体池外设有可破坏流体池内细胞的物理装置，如光、电、声、热等发生器。如紫外光辐射源、超声发生器、红外加热片等。

上述细胞过滤器的流体池中根据权利要求1所述的细胞过滤器，其流体池中设有加入化学物质装置，可对分离的细胞进行化学处理。

实施例1：

在硅片、玻璃、陶瓷、或金属等基板材料上制备一层光敏感的材料，根据设计好的微结构光掩模板，进行光学曝光，显影后在基板上形成光敏感材料的凹凸结果。用湿法腐蚀或干法腐蚀在基板上制备出各种微流体的结构，如输入输出流道端口，流体阻挡结构、流体池、流体通道等。完成各种结构制备后，用硅片、玻璃板、塑料、金属或陶瓷板对上述制备的器件进行封装。上述材料在使用之前或使用过程中其表面进行处理，使其成为生物相容性的材料，并对生物体不构成损害。当器件封装完成后，对器件内的材料表面在进行化学处理，使之具有抗血液凝固的特性。

实施例2：

在硅片、玻璃、陶瓷、或金属等基板材料上制备一层光敏感的材料，根据设计好的微结构光掩模板，进行光学曝光，显影后在基板上形成光敏感材料的凹凸结果。在上述的凹凸结构上涂敷一层可以聚合的高分子材料(如塑料、橡胶等)。待高分子材料固化后，使之与基板分离，在高分子材料表面上制备出各种微流体的结构，如输入输出流道端口，流体阻挡结构、流体池、流体通道等。完成各种结构制备后，用硅片、玻璃板、金属、塑料、橡胶或陶瓷板对上述制备的器件进行封装。上述硅片、玻璃、陶瓷、塑料或金属等材料在使用之前或使用过程中其表面进行处理，使其成为生物相容性的材料，并对生物体不构成损害。当器件封装完成后，对器件内的材料表面在进行化学处理，使之具有抗血液凝固的特性。

实施例3：

根据设计好的微结构，制备出相应的塑料或橡胶的精密模具。直接应用微铸造技术，制备各种塑料或橡胶的微流体结构，如输入输出流道端口，流体阻挡结构、流体池、流体通道等。在流体池的表面固定有上皮细胞的抗体，用以捕捉肿瘤细胞。完成各种结构制备后，进行装配和封装，所用材料应为无生物学毒性的材料。当器件封装完成后，对器件内的材料表面在进行化学处理，使之具有抗血液凝固的特性。

实施例4：

在硅片、玻璃、陶瓷、或金属等基板材料上制备一层光敏感的材料，根据设计好的微结构光掩模板，进行光学曝光，显影后在基板上形成光敏感材料的凹凸结果。用湿法腐蚀或干法腐蚀在基板上制备出各种微流体的结构，如输入输出流道端口，流体阻挡结构、流体池、流体通道等。完成各种结构制备后，用玻璃板、石英等透明材料对上述制备的器件进行封装。上述材料在使用之前或使用过程中其表面进行处理，使其成为生物相容性的材料，并对生物体不构成损害。当器件封装完成后，对器件内的材料表面在进行化学处理，使之具有抗血液凝固的特性。

用透明材料封装的细胞过滤器可以用光学装置检测流体池中的细胞的收集情况，并应用光能来破坏收集的细胞。

实施例5：

根据设计好的微结构，制备出相应的塑料或橡胶的精密模具。直接应用微铸造技术，制备各种塑料或橡胶的微流体结构，如输入输出流道端口，流体阻挡结构、流体池、流体通道等。完成各种结构制备后，将细胞微型检测器、和(或)细胞灭活微器件进行装配在细胞过滤器的一个或多个微流体池中，并进一步进行整个器件的封装。所用材料和器件应为无生物学毒性的材料。当器件封装完成后，对器件内的材料表面在进行化学处理，使之具有抗血液凝固的特性。

细胞过滤器与一个流体蠕动泵连接在一起，控制体液的流量。同时细胞过滤器与控制细胞微型检测器、细胞灭活微器件或蠕动泵的微电路系统集成在一体，加上数字显示器和微键盘成为一个便携式的细胞过滤器。

实施例6：

根据设计好的微结构，制备出相应的塑料或橡胶的精密模具。直接应用微铸造技术，制备各种塑料或橡胶的微流体结构，如输入输出流道端口，流体阻挡结构、流体池、流体通道等。完成各种结构制备后，将细胞微型检测器装配在细胞过滤器的一个或多个微流体池中，并进一步进行整个器件的封装。所用材料和器件应为无生物学毒性的材料。当器件封装完成后，对器件内的材料表面在进行化学处理，使之具有抗血液凝固的特性。

将超声细胞灭活器件紧密组装在细胞过滤器的流体池的外部。当微流体池中聚集一定量的细胞时，开启超声灭活装置，将收集的细胞破碎。

细胞过滤器与一个流体蠕动泵连接在一起，控制体液的流量。同时细胞过滤器与控制细胞微型检测器、超声细胞灭活装置和蠕动泵的微电路系统集成在一体，加上数字显示器和微键盘成为一个便携式的细胞过滤器。

Claims (8)

1、一种细胞过滤器，由过滤装置和细胞检测、灭活以及流体传送装置所组成，其特征是：该过滤器由一个封闭的流体通道作为细胞过滤器腔体(1)，在细胞过滤器腔体(1)的两端设有流体输入端口(2)和流体输出端口

(3)，在流体的输入端口(2)和流体输出端口(3)之间设置细胞过滤装置即细胞颗粒阻挡器(4)，在细胞颗粒阻挡器(4)旁为流体池(5)。

2、据权利要求1所述的细胞过滤器，其特征是细胞颗粒阻挡器(4)是一种狭缝状过滤结构(6)，即在该细胞颗粒阻挡器(4)中开有一条或多条狭缝。

3、据权利要求1所述的细胞过滤器，其特征是细胞颗粒阻挡器(4)是一种栅状结构(7)，即在该细胞颗粒阻挡器(4)中制备有多根柱体，形成一层或多层栅状的阻挡装置。

4、据权利要求1所述的细胞过滤器，其特征是细胞颗粒阻挡器(4)有多个，排列在细胞过滤器腔体(1)中，细胞颗粒阻挡器(4)是一种由狭缝状、栅状、以及网孔状结构中任意二种或三种结合的组合形成的复合结构。

5、根据权利要求1或2或3所述的细胞过滤器，其特征是流体池(5)、细胞颗粒阻挡器(4)上附着有可捕获特定细胞的蛋白质。

6、根据权利要求1所述的细胞过滤器，其特征是在细胞过滤器腔体(1)上设有检测细胞的传感器(9)。

7、根据权利要求1所述的细胞过滤器，其特征是在细胞过滤器腔体(1)上安装有光、电、声、热能量发生元件(10)。

8、根据权利要求1所述的细胞过滤器，其特征是在细胞过滤器腔体(1)中的流道上设置流体泵。

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