CN1269576C - 用于离心系统转子的成形隔膜 - Google Patents

Abstract

一种作为流体处理一次性组件一部分的成形隔膜，其中流体处理一次性组件充当离心系统的转子。该流体处理一次性组件包括一个可变容积腔室和一个流体口。成形隔膜限定了可变容积腔室的壁。腔室与流体口流体连通，并由固定壁和弹性壁构成。弹性壁由成形隔膜构成。一次性组件还可包括和流体入口连接并和可变容积腔室流体连接的旋转密封。成形隔膜可以是褶皱的。褶皱可为单个褶曲，也可具有关于轴线对称定位的多个褶曲。或者，成形隔膜在未拉伸的状态可以基本上是平面的，而在沿一个隔膜维度上厚度是变化的。详细描述了用于从整体流体中选择性获取流体成分的离心转子、系统和方法。

Description

用于离心系统转子的成形隔膜

技术领域

本发明涉及对流体进行一般处理的离心系统，更具体地说，涉及将这种流体分离成为其组成成分的分离。

背景技术

离心流体处理系统的存在已经有一段时间。这种系统一种特别普遍的应用是处理全血并将其分离成为红血球、白血球、血浆、血小板和其它组分或成分。这种离心系统通常分为连续流动设备或不连续流动设备。

在连续流动系统中，整体流体通过导管输入到旋转转子中，在该转子中，流体被分离成其组成成分。可将感兴趣的成分收集起来，任何不需要的成分可通过第二导管连续地清除，同时输入更多的整体流体。这些系统通常采用带型转子，它具有较大的直径但处理容积较小(通常为100ml或更小)。尽管连续流动系统具有可处理较小流体总量的优点，但它也具有转子直径较大的缺点。因此，这种系统较大而且装配和使用较复杂。

在不连续流动系统中，整体流体也通过导管输入到发生成分分离的转子内。这些系统通常采用碗型转子，它具有较大容积(通常为200ml或更大)，在能够获得任何需要的成分之前该转子必须基本上填满流体。当碗被填满时，停止输入新的流体，通过同一导管清除不需要的成分。当转子被清空时，引入新的整体流体，开始第二个循环。该过程一直持续直到收集到所需量的成分。因此，清除是间歇地成批发生的，而不是连续地发生。不连续流动系统具有转子直径较小的优点，但具有处理流体总量较大的缺点。

在很多以前授予Transfusion Technologies公司的美国专利中已经公开了用于处理血液和其它流体的离心系统和方法，其结构紧凑且使用方便，而且没有现有技术不连续流动系统的缺点。这种系统通常包括充当离心转子的一次性组件。尤其相关的是名称为“具有限定可变容积流体分离腔室的弹性隔膜的转子”的美国专利No.6,074,335，其公布于2000年6月13日，及其母案，美国专利No.5,733,253，公布于1998年3月31日。这种转子的实施例包括一个弹性的、不渗透的壁(弹性隔膜)，它至少限定了可变容积流体处理腔室的一部分。转子实施例包括一个弹性隔膜安装于其上的刚性安装件，它固定于卡盘上并由卡盘旋转。该刚性安装件可包括一个刚性壁，这个刚性壁与弹性隔膜一起限定了可变容积腔室。隔膜和刚性壁都称为腔室边界，因为它们中的每个都限定了可变容积处理腔室内部的一部分，并且每个都具有不与生物流体相接触的一侧。在一些实施例中，隔膜可位于转子外部的其它壁中，如刚性边界壁和外壳体。

美国专利No.6,074,335公开了多种转子实施例。例如，刚性边界壁可足够大，从而围绕腔室所能形成的最大容积，或者刚性安装件的大小可仅提供可以安装隔膜并且卡盘可以固定并旋转转子的空间。在另一转子实施例中，刚性边界壁是无孔的圆形壁，它延伸到处理腔室的外围，从而限定了处理腔室的顶部。弹性隔膜连接到该壁的圆周上，并限定了处理腔室的其余部分。在又一个实施例中，刚性边界壁基本上无孔，但在接近转子的旋转轴线处形成开口，使得导管从中穿过从而与处理腔室流体连通。在可选的实施例中，刚性边界壁可具有多个开口，还可能具有用于在转子旋转时控制流入和/或流出转子的流动的多个导管。一些转子的特点在于其具有在离心分离期间不转动的固定部分。特别地，这种固定转子部分可设置一个流体导管或不止一个这种导管，使得整体流体输入源、转子旋转部分和输出之间流体连通。具有固定部分的转子可包括旋转密封。旋转密封的实施例在美国专利Nos.6,074,335和5,904,355中都有公开。

图1是现有技术转子实施例的俯视图，图2示出图1说明的转子实施例的横截面视图。转子2a具有弹性边界(即，不渗透隔膜31)，它通过O型密封圈35或其它装置密封到刚性、无孔边界壁10上。隔膜31优选由弹性的、可拉伸的回复性材料制成，例如乳胶或硅橡胶。隔膜31是如图所示的简单隔膜，这是因为如所定义的，该隔膜在未拉伸状态下展示出基本上一致的厚度并且基本上是平面的。可以理解的是，在非常靠近隔膜连接到(或密封到)壁10的地方(即用于安装的缘或其它这种等效功能安装特征)，简单隔膜31会包括非平面的区域。具有孔39的有孔内壁40-也称为盘-连接到刚性边界壁10的下面。优选边界壁10和内壁40由刚性热塑性塑料制成。有孔内盘40通过支座(未示出)固定在离无孔边界壁10较短距离处，从而形成通道44。

图3是说明的另一现有技术转子实施例的仰视图，其中隔膜31被去掉。图4是图3转子的横截面视图。图3和4的实施例说明了与前述结构不同类型的流体排出控制。该转子实施例的特征在于槽244，槽244优选径向排列，并作为排出控制装置形成于边界壁10的底部，用来代替多个管或一个具有孔的内壁/盘40。槽244由设在边界壁10上的竖直槽壁240限定；如果竖直槽壁240设置得彼此足够靠近使得隔膜31在受压或静力的状态都不会阻断槽244，竖直槽壁240可使渠道(槽244)从孔239保持敞开，如果需要，它们将处理腔室30和收集组件46连接到转子的外围上，或连接到需要维持渠道的任意半径处(半径在图3和4中都用参考数字245标出)。图4中的转子具有一个固定部分(包括收集组件46)，该固定部分与转子的旋转部分在旋转密封48处相互交接。图3和4中所示的作为边界壁10一部分的内壁237是必不可少的，它防止旋转的隔膜31与固定部分接触，并防止可能的导致过早失效的磨损。

参考图5和6(示出了一个系统，只出于示例性的目的，它并入了图1的转子实施例)，转子2a可在一个离心系统中旋转，该系统包括用于固定(用夹具8和O型密封圈35)并旋转转子2a的卡盘4a以及加压流体供给源，在马达50和轴51旋转转子2a时，加压流体供给源向邻近转子隔膜31的地方(在本实施例中，在卡盘4a中的孔65外面，气体由泵61泵送通过渠道53流到这里)提供加压控制流体(优选气体)。该加压气体可用于将流体挤出转子的处理腔室30。该系统还可包括用于将真空施加到隔膜31外侧(即，不与被处理流体接触的一侧)的装置，从而将流体引入到处理腔室30中。通常，卡盘具有从可旋转基部延伸出来的外围壁，从而限定了转子隔膜可扩张到其中的圆柱腔。简单隔膜31沿内壁40的底面安装。在图5的卡盘实施例中，卡盘4a还具有从其基部延伸出来的核芯64，因此卡盘4a形成了环形腔，简单隔膜31可扩张到该环形腔中，并可从其中缩回，从而接收和释放流体。

图6示出了转子2a(图1实施例所示，尽管使用图4所示实施例在功能上是等同的)，其中转子正在旋转，并且整体流体从一次性组件的其余部分流入到转子2a中。一次性组件包括，但不限于，管13、边界壁10和收集组件46。当卡盘4a转动转子2a时，收集组件46，包括连接到管13上的导管通过支架(未示出)固定。当流体接触到边界壁10和内盘40时，离心力向转子2a的外围推动流体。当更多流体进入时，流体被继续推到周边，最终流过内盘40中的孔。或者，在如图3和4所示转子的情况下，流体会通过孔239和渠道244流向外围。当流体和处理腔室30的容积增加时，简单隔膜31拉伸从而使得流体到达最大直径处，而且在处理过程中的某些点，简单隔膜31呈现出如线31a所示的形状。当流体进入转子时，卡盘4a中排出的空气经过孔65、向下进入轴孔53并排出排气阀63。如果需要，可采用泵61或单独的真空供给源(例如单独的真空泵或通过真空管道提供的集中的、规格(institutional)真空)在卡盘4a中产生真空来增加流体的流速。随着越来越多的流体进入转子2a中，隔膜31改变形状以便容纳流体。当流体进一步填充时，简单隔膜31依次呈现出线31b和线31c所示的形状，最终当转子2a被填满时，呈现出卡盘4a的环形腔形状，如线31d所示。随着隔膜31拉伸从而容纳处理腔室30逐渐膨胀的尺寸，隔膜31依次与环形卡盘腔相接触。随着隔膜31的部分依次与该腔相接触，这些部分就会固定不动并停止拉伸，而隔膜31还没有与卡盘接触的其它部分继续拉伸。这些顺序发生的现象清楚地说明处理腔室30的确是可变容积的腔室。

可将卡盘4a加工成使隔膜的不同部分之间拉伸量的变化最小。简单隔膜31固有的非均匀加载/拉伸可能缩短其使用寿命。

卡盘4a的现有技术实施例具有中心对称的特点。换句话说，环形腔(多个腔)关于离心系统的旋转轴线对称地设置，其中在填充生成流体处理腔室30时，弹性隔膜31能够扩张到该环形腔中，当清空腔室30时，弹性隔膜31能够从该环形腔中缩回。因此，当从离轴线给定半径距离、在围绕转子圆周任意点上测量时，填充整体流体与获取流体成分基本上均匀地发生。轴线通常被视为与轴51在同一条直线上。

这些现有技术的转子和离心系统可用于包括生物流体的很多不同的处理过程。使用转子的方法通常包括以下步骤：将未分离的流体引入转子处理腔室中，旋转转子从而将流体分离成密度较大的和密度较小的成分，并且向隔膜外侧施加压力从而将流体成分(通常为密度较小的流体成分)通过导管挤出腔室。

发明内容

在本发明的第一实施例中，提供一种具有可变容积腔室和流体口的一次性流体处理组件，其中成形隔膜限定了腔室的壁。该腔室与流体口流体连通，并由一个固定壁和一个弹性壁构成。该弹性壁由成形隔膜形成。一次性组件还可具有连接到流体口上并流体连接到可变容积腔室上的旋转密封。成形隔膜可以是褶皱的。褶皱可为单个褶曲，也可具有关于轴线对称定位的多个褶曲。或者，成形隔膜在未拉伸的状态下可以基本上是平面的，而厚度是变化的。

在另一实施例中，提供一种用于离心系统的转子。该转子包括具有导管组件的固定部分，以及围绕固定部分和转子的旋转轴线可旋转地安装的刚性安装件。该安装件能够通过旋转装置固定并旋转。而且，转子具有安装到刚性安装件上的成形隔膜。隔膜能够与刚性安装件一起旋转，从而形成可变容积腔室。转子可具有在刚性安装件与固定部分之间提供密封的旋转密封件。其刚性安装件可具有边界壁，该边界壁与成形隔膜一起限定了可变容积腔室。成形隔膜可以是褶皱的。

其它用于从整体流体中选择性获取流体成分的转子、系统，和方法将在本发明的其它实施例中给出。

附图说明

参照附图，通过参照以下的详细描述，可更容易理解本发明的前述特点，附图中：

图1是现有技术转子实施例的俯视图。

图2示出了图1所示转子实施例的横截面。

图3是另一现有技术转子实施例的仰视图，其简单隔膜31被移除。

图4是图3所示转子实施例的横截面。

图5以横截面视图说明了一种现有技术的离心系统，只是出于示例性的目的，其中并入了图1所示的转子实施例。

图6描述图5的现有技术系统，它还通过标号31a-d表示处理腔室30的容积按顺序的变化。

图7(a)、7(b)和7(c)展示了根据一个实施例的简单隔膜71(现有技术，7(a))以及作为一次性组件一部分的成形的、基本上为平面的隔膜(72，7(b)和75，7(c))的分解视图，其中一次性组件与中心对称的卡盘一起使用。

图8(a)、8(b)和8(c)展示根据一个实施例的作为一次性组件一部分的成形的、褶皱的隔膜81(8(a))、82(8(b))和83(8(c))，其中一次性组件与中心对称的卡盘一起使用。

图9(a)和9(b)示意性地说明了成形褶皱隔膜和与其配合的中心对称卡盘(卡盘以平面视图示出)一起用来选择性地获取流体的

实施例。

图10(a)和10(b)示意性地说明了成形褶皱隔膜和与其配合的不对称卡盘(卡盘以平面视图示出)一起用来选择性地获取流体的

实施例。

具体实施方式

参照图7(b)和7(c)，如此处用标号72和75指出的选择性成形隔膜可与现有技术的卡盘和转子一起使用用于流体离心分离。这种隔膜成为用于流体处理应用的一次性组件的一部分。一般的，在本说明书和所附权利要求中，形容词“成形的”用作修饰语，用来描述当隔膜体处于其最低能量状态(即，未拉伸状态)时，任何不具有基本上为平面体的、以及沿一个维度厚度基本上一致的形状的隔膜。当其处于未拉伸位置时，具有基本上一致厚度的基本为平面的隔膜(而且，在现有技术设计的情况中，这种状态的隔膜提供最小容积的流体处理腔室)在前文中定义为“简单隔膜”。图7(a)中的隔膜71就是这样一种简单隔膜。但是，如前文所述，简单隔膜71在非常靠近其连接到其与一个壁或另一安装件密封的区域(即，缘或其它这种等效功能安装特征)会包括一个非平面区域。上述对“成形的”的定义包括基本上为平面形状，但是沿未拉伸长度有意地具有可变厚度的平面形状，如零件72和75所示。“可变厚度”成形隔膜将在它们与现有技术中心对称的且具有核芯64的卡盘4a一起提供更好的、各种各样的可变容积流体处理腔室的使用中对其进行描述。这种模制的成形膜片制造简单，而且基于特定应用的应力计算，可提供较长寿命的隔膜。成形隔膜72通过模制(或其它方式成形)而有意地使其在第一、更靠近中心的部分74比外围的部分73更厚。或者，成形隔膜75的成形有意使得其在外围部分76比更靠近中心的部分77更厚。有助于确定最佳隔膜形状的因素包括破损之前所需的离心循环的数目(隔膜寿命)、流体粘度、处理流体的数量，以及使隔膜伸展以达到其最大腔室容积位置所需的/可提供的力。

现在描述选择性成形隔膜的其它实施例，它们显示出一定程度的褶皱。根据定义，这些隔膜的形状在其处于基本上未拉伸位置时不是平面的。这些成形的、褶皱的隔膜实施例也可以通过有意改变其厚度形成，尽管附图中没有特别地示出这种实施例。图8(a)、8(b)和8(c)的隔膜实施例具有较长的“有效”长度，因此当其扩张到卡盘4a的核芯64中时，所提供的松弛部分可对突变失效提供更大的抵抗力。所示的这些隔膜实施例与现有技术的中心对称卡盘一起使用。现参照图8(a)，成形褶皱隔膜81制成有位于其更靠近中心部分的单一褶曲810。成形褶皱隔膜82制成有一对凹陷820，两凹陷位于关于旋转轴线基本上对称的位置(图8(b))，成形隔膜83的特征在于其具有周期性起伏830，从而导致更多的实际“有效”长度的增加。与那些前文所描述的用于无褶皱隔膜相类似的设计因素对于寻找用于特定流体处理应用的最佳形状也是有用的。可以理解的是，成形的褶皱隔膜的特定实施例并不限制此处所公开的概念和精神。

根据又一实施例，图9(a)和9(b)说明用于选择性流体获取的成形褶皱隔膜和与其相配的中心对称卡盘(卡盘以平面图示出)。这些卡盘的不同之处是它们核芯的特征部分围绕卡盘圆周分离地、中心对称地标记出来，其中成形隔膜91和92在填充和旋转时会扩张到卡盘的所述核芯特征部分中。成形隔膜91形成有一对分离的褶皱910；从沿旋转轴线的方向看去，第一褶皱定位在零度的位置，第二褶皱定位在一百八十度的位置。卡盘94的特征部分600位于这两个所标记的位置，从而当褶皱910中充满流体时容纳褶皱910。这种安排更有利于收集，尤其是当被处理的整体流体量较少的时候。图9(b)所示的变体有利于获取分离的褶皱920区域中的、或形成于成形隔膜92中的分离口袋921中的成分。其它流体成分可通过第二出口装置，即槽930流出转子。卡盘95的特征部分710也位于两个分离的、标记出来的位置，用于容纳褶皱920和921；将出口700进行配合从而接收来自于一个一维出口或二维渠道930的流体。

至此，已结合中心对称卡盘(即，具有设置在其配合面上的中心对称特征的卡盘)描述了成形隔膜的实施例。在通过图10(a)和10(b)的例子说明的其它实施例中，不对称褶皱的隔膜100和101形成有不对称定位的褶皱601-604。如图所示的隔膜100，褶皱601定位于大致在旋转轴线上的位置，而且不与卡盘600的任何核芯特征部分610相配合。相反，褶皱602可与三个示出的核芯特征部分中的任一个相配合。褶皱和核芯特征部分可具有任何形状或尺寸，以便获得所需的选择性流体成分。图10(b)所示实施例的第一特征在于具有形成于成形隔膜101中的小的浅褶皱603，其中褶皱603配合到定位于卡盘620表面第一半部分的核芯特征部分621上。它的第二个特征在于具有形成于成形隔膜101中的较大的褶皱604，其中褶皱604配合到定位于卡盘620表面第二半部分的核芯特征部分622上。这些更复杂的实施例展示了当成形隔膜用于离心转子时的多种可能的设计结构。流体成分的性质以及所收集的特定成分都会影响结构的选择。

尽管已经参照几个优选实施例对本发明进行了描述，但是本领域普通技术人员可以理解的是，在不离开如所附权利要求说明的本发明的精神和范围的情况下，可对本发明做出各种修改。

Claims (13)

1.一种流体处理一次性组件，包括：

用于与容器相连接的流体口；及

与流体口流体连通的可变容积腔室，该腔室由固定壁和弹性壁限定，该弹性壁由成形隔膜形成，该成形隔膜的横截面沿其长度的至少一部分是褶皱的或者该隔膜的横截面的厚度沿其长度的至少一部分是变化的。

2.根据权利要求1所述的流体处理一次性组件，还包括：

连接到流体口上的旋转密封，该旋转密封流体连接到所述腔室上。

3.根据权利要求1或2所述的流体处理一次性组件，其中所述成形隔膜具有至少一个褶曲。

4.根据权利要求1或2所述的流体处理一次性组件，其中所述成形隔膜具有多个褶曲，这些褶曲定位于关于一条轴线对称的位置上。

5.根据权利要求1或2所述的流体处理一次性组件，其中所述成形隔膜在未拉伸状态基本上是平面的。

6.根据权利要求5所述的流体处理一次性组件，其中在距离一条轴线等距离的位置上厚度是一致的。

7.一种用于离心系统的转子，该系统具有用于使转子绕一条轴线转动的装置，该转子包括：

包括导管组件的固定部分；

刚性安装件，围绕固定部分和转子的旋转轴线可旋转地安装，所述旋转装置能够固定并旋转该安装件；和

安装到刚性安装件上的成形隔膜，该成形隔膜的横截面沿其长度的至少一部分是褶皱的或者该隔膜的横截面的厚度沿其长度的至少一部分是变化的，且该隔膜能够与刚性安装件一起旋转，该隔膜限定了一个可变容积腔室。

8.根据权利要求7所述的转子，还包括：

围绕所述轴线的旋转密封，该旋转密封在刚性安装件和所述固定部分之间提供密封。

9.根据权利要求7或8所述的转子，其中刚性安装件包括一个边界壁，该边界壁与所述成形隔膜一起限定了所述可变容积腔室。

10.一种用于离心系统的转子，所述系统具有用于使转子旋转的装置，所述转子包括：

刚性安装件，其通过所述旋转装置固定并旋转；

安装到所述刚性安装件上从而与刚性安装件一起旋转的成形弹性隔膜，该成形隔膜的横截面沿其长度的至少一部分是褶皱的或者该隔膜的横截面的厚度沿其长度的至少一部分是变化的，且该隔膜限定了可变容积腔室；和

与所述腔室流体连通的导管，该导管由刚性安装件限定。

11.一种离心系统，包括：

转子，其包括：

包括导管组件的固定部分；

刚性安装件，围绕所述固定部分和转子的旋转轴线可旋转地安装，该安装件能够通过一个卡盘固定并旋转；和

安装到所述刚性安装件上的成形隔膜，该成形隔膜的横截面沿其长度的至少一部分是褶皱的或者该隔膜的横截面的厚度沿其长度的至少一部分是变化的，且该隔膜能够与该刚性安装件一起旋转，该隔膜限定了一个可变容积腔室；和

具有一个表面的卡盘，该表面具有位于其上的卡盘特征部分；其中所述表面和所述隔膜限定了多个腔室区段。

12.一种用于从整体流体中选择性地获取流体成分的方法，包括：

提供根据权利要求11所述的离心系统；

向离心系统的转子引入整体流体；

围绕轴线旋转卡盘和转子；

收集在转子限定的腔室区段中的流体成分；和

从一个腔室区段中获取一种成分。

13.一种用于从整体流体中选择性获取流体成分的方法，包括：

提供根据前述任一项权利要求所述的流体处理一次性组件；

向可变容积腔室中引入整体流体；

旋转腔室从而分离流体成分；和

从腔室中获取一种成分。

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