CN1286534C - 流体磁性净化器 - Google Patents

Abstract

流体磁性净化器是一种基于磁性颗粒的流体中有害物质清除器，可用于清除血液等流体中的有害分子，分子聚集体、以及细胞等微小颗粒等，特别是可用于清除血液中的有害蛋白(如低密度脂蛋白)、病毒(如艾滋病毒)、细胞(如肿瘤细胞)，该净化器集成在一块芯片材料上，形成一个带有流体引入口和出口的流体器件；在流体引入口的进端与泵(2)相接，泵的输出端接进口端通路选择器(41)后接流体反应腔中的流体池(9)，在流体池的进端和出端分别设有软磁性网状或栅状隔栏(5)，在流体池的中部设有活性磁性微球(6)，在流体池的外部设有外加磁场控制器(7)，在流体池的输出端接输出三通阀，出口端通路选择器的输出端(42)接净化后流体导出口。

Description

流体磁性净化器

                            技术领域

本发明是一种基于磁性颗粒的流体中有害物质清除器，可用于清除血液等流体中的有害分子，分子聚集体、以及细胞等微小颗粒等，特别是可用于清除血液中的有害蛋白(如低密度脂蛋白)、病毒(如艾滋病毒)、细胞(如肿瘤细胞)，属于生物医学工程设备制造的技术领域。

                           背景技术

近年来，心血管病、肿瘤已成为威胁人类健康的重大疾病。其发生率大幅度增加，发生趋于低龄化。心血管病主要用药物控制，只能减缓病情的进一步发展。肿瘤的治疗主要为手术治疗、放疗、化疗等方法。治疗效果有限，特别是晚期病人的治愈率很低。艾滋病的危害在我国愈来愈受到人们的关注，而目前，人们还没有有效的治疗HIV的方法。

心血管病的一个重要因素是血液中存在过量的低密度脂蛋白，清除这些蛋白，对于改善心血管疾病具有重要的价值。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。艾滋病治疗的一个重要难题是血液中存在大量的HIV病毒，药物的作用由于病毒的变异而失效。病毒的变异是与病毒的数量有关。如果我们能够大量地清除血液中的病毒，将大大降低体内的病毒含量，从而降低病毒变异对治疗的影响。

目前，从血液中分离有害物质的实验室方法较多。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蛋白、病毒、或肿瘤细胞等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)对于早中期的患者，血液中的有害物质很少。目前的过滤方法不能对大量血液中微量有害物质实现有效的分离。(4)疾病发展过程中有害物质将会不断进入血液、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、淋巴液中分离有害物质的器件。

                           发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于磁性颗粒的流体磁性净化器，该净化器能在血液等体液中实现有害物质的在线分离，能够实现对大流量体液中的极微量的蛋白、病毒、和细胞进行分离、富集、和灭活。

技术方案：本发明提出了一种流体磁性净化器，由过滤部分、物质捕获部分所组成，该净化器集成在一块芯片材料上，形成一个带有流体引入口和净化后流体导出口的流体器件；在流体引入口的进端与泵相接，泵的输出端接进口端通路选择器，进口端通路选择器的输出端接流体反应腔中的流体池，在流体池的进端和出端分别设有软磁性网状或栅状隔栏，在流体池的中部设有活性磁性微球，在流体池的外部设有外加磁场控制器，在流体池的输出端接出口端通路选择器，出口端通路选择器的输出端接净化后流体导出口。在流体进入流体池之前可经过泵或其他形式的方式补充流体能量。所述的流体器件中的软磁性网状或栅状隔栏位于流体池中，其磁场由包在流体池外面的外加磁场控制器控制。

所述的流体器件中的活性磁性微球颗粒表面固定有蛋白质，如抗体、抗原、受体。

在流体池的外部设有能使活性磁性微球颗粒上捕获的物质变性、失活的外加的光、电、声、化学物质。

流体反应腔由多个并联的流体池所组成，各个流体池的两端分别与进口端通路选择器和出口端通路选择器相连通。

所述的芯片材料为玻璃、硅片、石英、塑料、PCB板中的一种。在流体池中或流体池外设置有采样测试点，由传感器来检测流体池中聚集的细胞数量。

本发明是一个带有流入和流出端口的流体器件，其中有磁性控制部件和含有磁性颗粒，通过组装在磁性颗粒上功能材料捕获血液中特定有害物质。该流体器件中的磁性颗粒表面固定的是蛋白质，如抗体、抗原、受体等。该流体器件是由管道、流体泵、流体反应腔等组成。流体器件中有磁性控制部件，它可以是安装在流体器件外可控磁场，也可以是一种由若干软铁磁性材料构建的栅状或网状结构，其磁性通过外界的磁场控制。该流体器件中的流体反应腔可以是管道的一部分。

有益效果：本发明提出的流体磁性净化器具有如下优点：

(1)本流体磁性净化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是通过磁性发挥阻挡作用，而不是采用尺寸阻挡，因此较大的细胞被阻挡在阻挡器前面时，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)本流体磁性净化器的另一个特点是把多个带有流体池的流体阻挡结构并联或串联在一起，实现多级并联过滤和连续操作，大大提高肿瘤细胞、病毒和有害蛋白的过滤效率。即可以对血液中的大量有害物质(如有害蛋白、病毒、或有害细胞等)进行有效过滤，也可以对血液中微量有害物质(如有害蛋白、病毒、或有害细胞等)进行可靠和有效的清除。

(3)在流体磁性净化器中加入可捕捉相应细胞的蛋白质分子，或引入细胞传感器，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)在流体磁性净化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。这些灭活的有害物质(如有害蛋白、病毒、或有害细胞等)碎片重新进入人体后，有可能激活人体对有害物质(如有害蛋白、病毒、或有害细胞等)的免疫系统，增强人体对于有害物质(如有害蛋白、病毒、或有害细胞等)的免疫作用。

(5)本流体磁性净化器运用微加工技术进行。流体磁性净化器的体积可以很小，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有害物质(如有害蛋白、病毒、或有害细胞等)的清除。

(6)该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。

本发明的目的就是设计一种基于磁性颗粒的流体器件，可以对大流量体液中有害物质与磁性颗粒表面的功能分子进行高效特异性结合，并通过器件中外加磁场控制磁性颗粒的运动，达到分离和清除体液中有害物质的作用，且能避免产生流道堵塞的现象。并且对于被分离出的蛋白、病毒、或肿瘤细胞，通过物理(光、电、声和热)或化学的处理后，变性失活，可直接进入血液循环。从而实现实时在线清除血液中有害物质的作用。

                         附图说明

图1是本发明提出的流体磁性净化器的结构示意图。其中：1、流体引入口，2、泵，3、采样测试点，41、进口端通路选择器，42、出口端通路选择器，5、软磁性网状或栅状颗粒阻挡器，6、活性磁性微球，7、外加磁场控制器，8、净化后流体导出口。

图2是软磁性网状或栅状颗粒阻挡器51为一种网孔状结构a、栅状结构b、狭缝状结构c的示意图。

图3是活性磁性微球6的结构示意图。其中：61、磁性内核，62、无机物或有机分子形成的壳层，63、捕获分子。

                           具体实施方式

具体来说，本发明的流体磁性净化器的主要特征为：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流体池9，内设软磁性网状或栅状颗粒阻挡器5；2)、在邻近软磁性网状或栅状颗粒阻挡器旁有流体池；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流体磁性净化器腔体，在流体磁性净化器腔体的两端设有流体输入端口1和净化后流体导出口8，在流体的输入端口1和净化后流体导出口8之间设置过滤装置即软磁性网状或栅状颗粒阻挡器5。该净化器集成在一块芯片材料上，形成一个带有流体引入口1和净化后流体导出口8的流体器件；在流体引入口1的进端与泵2相接，泵2的输出端接进口端通路选择器41，进口端通路选择器41的输出端接流体反应腔中的流体池9，在流体池9的进端和出端分别设有软磁性网状或栅状隔栏5，在流体池9的中部设有活性磁性微球6，在流体池9的外部设有外加磁场控制器7，在流体池9的输出端接出口端通路选择器42，出口端通路选择器42的输出端接净化后流体导出口8。所述的流体器件中的软磁性网状或栅状隔栏5位于流体池9中，其磁场由包在流体池9外面的外加磁场控制器7控制。所述的流体器件中的活性磁性微球6颗粒表面固定有蛋白质，如抗体、抗原、受体。在流体池9的外部设有能使活性磁性微球6颗粒上捕获的物质变性、失活的外加的光、电、声、化学物质。

流体反应腔由多个并联的流体池9所组成，各个流体池9的两端分别与进口端通路选择器41和出口端通路选择器42相连通。

所述的芯片材料为玻璃、硅片、石英、塑料、PCB板中的一种。在流体池中或流体池外设置有采样测试点3，由传感器来检测流体池中聚集的细胞数量。

流体磁性净化器中的颗粒阻挡结构可以是网状、栅状、狭缝状的颗粒阻挡结构中的任意一种、二种或全部三种结构组合形成的复合结构。(如图2)。

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灭活装置。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，使磁性颗粒上捕获的物质变性、失活。

本发明还可在流体磁性净化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；也可以预先装入流体磁性净化器中，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。

本发明的流体磁性净化器可以在流体磁性净化器腔体的流道上设置流体泵，从而可以把体液直接泵入流体磁性净化器的流体通道内，并控制体液的流速。

本发明的流体磁性净化器芯片材料主要有玻璃、硅片、石英、塑料、PCB板等。采用腐蚀或注塑的方法在基体的表面加工出流体腔或者流体槽。石英绝缘性能良好，紫外光透过性强，是电泳分析理想基材。聚合物材料适用于廉价的批量生产。硅片因为IC工艺也适用于大批量生产，但由于其半导体材料，施加高压从现实的使用角度不可行。

本发明的流体磁性净化器的主要材料也可直接用高分子流体管道构成。通过把管道弯曲成微单元，或绕在磁性、加热、或振动等载体上，构建流体器件。本发明的流体磁性净化器可以在很大的体液流量下对微量的有害物质(如有害蛋白、病毒、或有害细胞等)进行分离；当检测器指示出在流体池中聚集存在有一定量的有害物质(如有害蛋白、病毒、或有害细胞等)后，实施灭活操作。在实际应用中，流体引入口和净化后流体导出口可直接接入人体血管，对血液进行净化操作。

该净化器的净化过程为动态的吸附过程，每一个支路的流体池外部设有电磁线圈。改变线圈内电流方向，产生与流体流动方向相同和相反方向的交变磁场。在流体进入流体池之前可经过泵或其他形式的方式补充流体能量。

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两套并联微流体的结构，如输入、输出流道端口、流体池流体通道等，流入流出端口中间固定两个由不锈钢钢丝织成的孔径大于50微米的磁性微球阻挡结构，输入和输出端各安装上一个三通阀，输入端接上一个蠕动泵以提高流体的动力。在流体池的外端加上旋转磁场。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。将整套设备进行灭菌操作，将经过无菌操作的连有蛋白质的磁性微球置于流体池中两个磁性微球阻挡结构中间，即可进行净化操作。

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制备出两套并联微流体的结构，如输入、输出流道端口、流体池流体通道等，流入流出端口中间固定两个由不锈钢钢丝织成的孔径大于50微米的磁性微球阻挡结构，输入和输出端各安装上一个三通阀，输入端接上一个蠕动泵以提高流体的动力。在流体池的外端加上旋转磁场。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。将整套设备进行灭菌操作，将经过无菌操作的连有蛋白质的磁性微球置于流体池中两个磁性微球阻挡结构中间，即可进行净化操作。

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。在流体池中磁性微球表面固定有抗低密度脂蛋白的抗体，用以捕捉有害物质(如有害蛋白、病毒、或有害细胞等)。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。将整套设备进行灭菌操作，将经过无菌操作的连有蛋白质(如抗体、受体、抗原)的磁性微球置于流体池中两个磁性微球阻挡结构中间，即可进行净化操作。

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。

用透明材料封装的流体磁性净化器可以用光学装置检测流体池中的磁性微球上的分子的富集情况，并应用光能来破坏收集的蛋白质分子或细胞。

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，将微型检测器、和(或)蛋白或细胞灭活微器件进行装配在流体磁性净化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。

流体磁性净化器与一个流体蠕动泵连接在一起，控制体液的流量。同时流体磁性净化器与控制微型检测器、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流体磁性净化器。

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流体磁性净化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。

将超声灭活器件紧密组装在流体磁性净化器的流体池的外部。当流体池中聚集一定量的细胞或蛋白质分子时，开启超声灭活装置，将收集的细胞或蛋白分子破碎。

流体磁性净化器与一个流体蠕动泵连接在一起，控制体液的流量。同时流体磁性净化器与控制细胞或蛋白质分子微型检测器、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流体磁性净化器。

Claims (7)

1、一种流体磁性净化器，由过滤部分、物质捕获部分所组成，其特征在于：该净化器集成在一块芯片材料上，形成一个带有流体引入口(1)和净化后流体导出口(8)的流体磁性净化器；在流体引入口(1)的进端与泵(2)相接，泵(2)的输出端接进口端通路选择器(41)，进口端通路选择器(41)的输出端接流体反应腔中的流体池(9)，流体反应腔由多个并联的流体池(9)组成，在流体池(9)的进端和出端分别设有软磁性网状或栅状隔栏(5)，在流体池(9)的中部设有活性磁性微球(6)，在流体池(9)的外部设有外加磁场控制器(7)，在流体池(9)的输出端接输出出口端通路选择器(42)，出口端通路选择器(42)的输出端接净化后流体导出口(8)。

2、根据权利要求1所述的流体磁性净化器，其特征在于所述的流体磁性净化器中的软磁性网状或栅状隔栏(5)位于流体池(9)中，其磁场由包在流体池(9)外面的外加磁场控制器(7)控制。

3、根据权利要求1所述的流体磁性净化器，其特征在于所述的流体磁性净化器中的活性磁性微球(6)颗粒表面固定有蛋白质，如抗体、抗原、受体。

4、根据权利要求1所述的流体磁性净化器，其特征在于在流体池(9)的外部设有能使活性磁性微球(6)颗粒上捕获的物质变性、失活的外加的光、电、声、化学物质。

5、根据权利要求1所述的流体磁性净化器，其特征在于流体反应腔由多个并联的流体池(9)所组成，各个流体池(9)的两端分别与进口端通路选择器(41)和出口端通路选择器(42)相连通。

6、根据权利要求1所述的流体磁性净化器，其特征在于所述的芯片材料为玻璃、硅片、石英、塑料、PCB板中的一种。

7、根据权利要求1所述的流体磁性净化器，其特征在于在流体池中或流体池外设置有采样测试点(3)，由传感器来检测流体池中聚集的细胞数量。

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