CN212999366U - 微过滤器及微过滤单元 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及微过滤器及微过滤单元。该微过滤器包括：非环氧基微孔膜；以及多个微孔，其被置于该非环氧基微孔膜的表面上且利用激光烧蚀而穿透于其间，其中，该微孔膜的表面被图样化分成用于定位分离的目标物及快速计数的预定区域。

Description

微过滤器及微过滤单元
技术领域
本实用新型涉及一种微过滤器（microfilter），其特征在于，该微过滤器是微孔膜（microfilm），该微孔膜是由非环氧基材料（non-epoxy-based materials）所制成的，并且该微孔膜上具有多个孔以形成具有图案的微孔阵列（patterned array of microholes）。
背景技术
该微过滤器结构可以是具有微孔结构的固体膜，以使其成为半透性介质。该微过滤器结构已被广泛应用于在复杂样本中实现微小物体的分离。
根据应用领域的不同，各种各样的材料被用于制造聚合物、金属或复合材料等微过滤器。例如，环氧基微孔膜（epoxy based microfilms）已广泛应用于生物分子的分离。钢基微过滤器（steel based microfilters）在喷墨喷嘴（inkjet nozzle）中很常见。环氧基微过滤器（epoxy based microfilter）易于使用光刻方法进行加工。然而，环氧基薄膜脆性大，制备难度大。
微过滤器结构已广泛应用于电子、化工、食品和生物技术等领域。微过滤器应用的一个例子包括使用微筛（microsieve），在生物医学过滤或精炼过程中从液体中分离出的微粒，将固体物体在微型和大分子之间进行尺寸分类，均匀分布的液体或气体入口用于在印刷或药物输送中产生微喷雾，以及利用沉积掩模制造MEMS结构。
细菌、病毒、细胞、囊泡等生物分子具有结构上的灵活性。对于特定的目标物，需要一个精密的微过滤器来优化膜压力。均匀排列的圆柱形微孔可以有效地过滤出液体，使生物分子从唾液、血液、尿液、透析液等各种体液中顺利分离出来。
微过滤器的制备方法包括，如轨迹刻蚀（track-etching）、激光打孔（laserdrilling）、光刻（photolithography）等。通常采用轨迹刻蚀法在微孔膜上生成圆柱孔，但其存在微孔不均匀性和图案重复性的局限性。光刻方法有利于均匀的微孔图案生成，但仅可应用于有限数量的材料。相对而言，激光打孔方法适用于大批量、均匀性好的材料，但微孔的尺寸范围受激光光斑直径的限制。
实用新型内容
本实用新型公开了一种具有微孔图案的非环氧基透明微过滤器以及用于进行过滤过程的微过滤单元（microfiltration unit）或微过滤固持单元（microfilter holderunit）。
首先，本实用新型提供了一种微过滤器（microfilter），其包括非环氧基微孔膜（non-epoxy-based microfilm）；以及多个微孔，其被置于该非环氧基微孔膜的表面上且利用激光烧蚀而穿透于其间，其中该非环氧基微孔膜的表面被图样化分为预定区域（predetermined sections），其用以定位该非环氧基微孔膜的表面上被分离的目标物和计算该目标物的数量。在一实施例中，该激光为紫外光激光。
在一个实施例中，该非环氧基微孔膜由无环氧链的透明聚合物构成。在一较佳的实施例中，该非环氧基微孔膜的材料是透明塑料材料。该非环氧基微孔膜的聚合物材料的实施例可包括任何热塑性材料，例如聚酰亚胺、聚碳酸酯（poly carbonate）、聚乙烯（polyethylene,）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate）、聚萘二甲酸乙二酯（polyethylene naphthalate）、聚甲基丙烯酸甲酯（poly methyl methacrylate）及聚苯乙烯（poly styrene）等。在某一实施例中，该非环氧基微孔膜的材料在紫外光区域具有非荧光或低荧光特性。如果用荧光显微镜研究，该微孔膜的荧光特性不会对分离成分的分析产生干扰。
在某一实施例中，该非环氧基微孔膜具有平坦的表面，没有任何不均匀的部分。在另一实施例中，该非环氧基微孔膜进一步涂覆薄膜以促进过滤过程。在一实施例中，该非环氧基微孔膜的顶面具有薄膜。在一较佳实施例中，该薄膜为金属膜或金属氧化物膜。在这样的实施例中，该微过滤器的表面改变目标物和过滤表面之间的相互作用。例如，可涂覆金属或金属氧化物的薄膜以改善微过滤器表面的亲水性。
在一实施例中，该微孔是圆形微孔。该微孔的直径设计取决于要筛选的目标物的尺寸大小。在另一实施例中，每个微孔的平均直径小于或等于10 µm。在一较佳实施例中，该微孔的直径范围为5至9 µm。在一更佳的实施例中，该微孔的直径范围为6至8 µm。在一替代方案中，该非环氧基微孔膜上会图样化以具有多个直径约为7 µm的圆形微孔。
在一实施例中，该微孔具有圆柱形壁，其穿过该非环氧基微孔膜，即该微孔的顶面和底面的直径相同。在另一个实施例中，该微孔具有锥形壁，其穿过该非环氧基微孔膜，其中该微孔的顶面和底面直径不同，其壁面呈锥形。在一替代实施例中，该微孔的形状可以是矩形或六边形，这取决于筛选的目标物。在另一个实施例中，该微孔以直线、交错或六边形几何形状的均匀数组图样化在该微孔膜上。
在某一实施例中，该非环氧基微孔膜的厚度小于或等于25 µm。在一较佳实施例中，该非环氧基微孔膜的厚度在5到25 µm之间。该微过滤器具有良好的强度和灵活性，以在过滤期间维持压力。在本实用新型的另一方面，选择该非环氧基微孔膜的厚度以保持该微孔的最小高宽比（aspect ratio）。在某一实施例中，该微孔膜的厚度可等于该微孔的直径。在一替代实施例中，该微孔膜的厚度与该微孔直径的纵横比不应大于3 µm。随着该微孔膜的厚度增加，该微孔的锥角可能也会增大。
在某一实施例中，设计该微孔的数量以优化过滤压力并避免过滤过程中的膜应力（membrane stress）。对亚微米（submicron）的物体进行优化的该微孔的数量在过滤区域上至少为50,000个。在一替代实施例中，该微孔的数量可增加以减少过滤时间。在某一实施例中，相邻的微孔之间的间隙会优化为约20 μm。在一替代实施例中，该相邻的微孔之间的间隙大小可取决于筛选目标物或应用领域。在一实施例中，该相邻的微孔之间的间隙为1-100μm。在一较佳实施例中，该相邻的微孔之间的间隙为2-50 μm。在一实施例中，该相邻的微孔之间的间隙为5-25 μm。在一实施例中，该相邻的两个微孔之间的距离至少为15 µm。
该非环氧基微孔膜的表面上可以划分成不同的区域。该微孔的数量分布在不同的区域中。在某一实施例中，将该非环氧基微孔膜的表面被图样化分为预定区域，例如16个区域，以定位分离的目标物并快速计算该分离的目标物的数量。在另一个实施例中，该非环氧基微孔膜的该过滤区域可被划分成更多区域以精确定位目标物。在不同的区域里可以精确地计算所分离出的目标物的数量。在一实施例中，该非环氧基微孔膜的表面划分为1-50个区域。在一较佳实施例中，该非环氧基微孔膜的表面划分为5-30个区域。在一实施例中，该非环氧基微孔膜的表面划分为10-20个区域。
本实用新型的另一方面涉及微过滤器的制造方法，其包含使用激光在非环氧基微孔膜上形成预定图案的微孔，且将该非环氧基微孔膜的表面图样化分成预定区域。在一实施例中，该激光为紫外光激光。在某一实施例中，使用紫外光激光来制造穿过该非环氧基微孔膜的微孔。该紫外光激光波长较短，可在该非环氧基微孔膜产生较好的孔洞。准分子激光（excimer laser）（紫外光激光）在该非环氧基微孔膜中具有高精度、低热积累的优点。对于特定的聚合物所形成的该非环氧基微孔膜，需要对激光的能量和脉冲进行优化。在一替代实施例中，可使用不同种类的激光，例如CO2、Nd:YAG等来产生微孔。
在一实施例中，该非环氧基微孔膜由无环氧链的透明聚合物构成。在一较佳的实施例中，该非环氧基微缩微孔膜的材料是透明塑料材料。
在某一实施例中，该准分子激光可以使用聚焦透镜直接投射到该非环氧基微孔膜上。使用聚焦透镜可以控制该微孔形成锥角。利用该非环氧基微孔膜的精确运动，将微孔设计转化为微过滤器的制备。在一替代的实施例中，激光屏蔽（laser mask）可用于产生多个激光束于该非环氧基微孔膜上，并产生多个微孔的阵列。这种方法提供了该非环氧基微孔膜上微孔穿孔的高通量。
在某一实施例中，该微过滤器可用于从生物体液中来过滤生物分子。在一实施例中，该生物体液样本可以是血液、尿液、透析液或唾液等。在一些实施例中，该微过滤器可用于从比该微孔的直径更大的血液中筛选有核细胞，例如循环肿瘤细胞（circulating tumorcell，CTC）、集落形成细胞（colony-forming cell，CFC）、嗜中性白血球（neutrophils）等。在一实施例中，该样本为生物体液，且该目标物为生物分子。
该非环氧基微孔膜的表面上可以图样化分成不同的区域。该微孔的数量分布在不同的区域中。在某一实施例中，将该非环氧基微孔膜的表面图样化分为预定区域，例如16个区域，以定位分离的目标物并快速计算该分离的目标物的数量。
本实用新型另一方面涉及微过滤固持单元或微过滤单元。该微过滤单元由上部框架（upper frame）和下部框架（bottom frame）组成。两个框架有圆柱形侧壁。该上部框架与侧模块（side module）连接，该侧模块允许将样本入口孔从较宽的开口调节至较窄的开口。两个框架通过螺旋连接（screw coupling）相互连接。该微过滤器夹在该微过滤单元的上部框架和下部框架之间。微过滤器固持单元的设计管道是，它在该微过滤器的顶部和底部提供样本的线性信道。样本中比该微孔直径大的分子将停留在该微过滤器表面的顶部，而剩余的较小的分子将通过该微过滤器过滤出去。
附图说明
图1A为具有微孔膜的微过滤器的结构。图1B显示出该微过滤器的侧面图，其显示穿孔的微孔通过该微孔膜的设计。
图2A为本实用新型的微滤单元的整体结构。图2B为本实用新型的微滤单元的上部框架。图2C为本实用新型的微过滤单元的下部框架。图2D所示为该微过滤器单元的横截面侧视图，示出了组装后的上部框架和下部框架。图2E所示为使用时本实用新型的整体微过滤单元的组装后的视图。
符号说明
10 微过滤器
11 微孔膜
111 过滤区域
12 穿孔的微孔
20 微过滤单元
21 上部框架
211 入口孔
212 上侧壁
213 侧模块
214 上垫片
2131 柔性条带
2132 可转换入口头
22 下部框架
221 出口孔
222 圆柱形侧壁
223 下垫片。
具体实施方式
本实用新型可以多种不同形式实现，并且不应被解释为限于本文该的示例。所描述的示例不限于如权利要求该的本实用新型的范围。
如图1A所示，本实用新型的微过滤器10包含微孔膜11，其由无环氧链的透明聚合物构成。因此，该微孔膜11是非环氧基微孔膜，且该非环氧基微孔膜的材料是透明塑料材料。在该微孔膜11具有一个过滤区域111。该微孔膜11为直径为13 mm，过滤区域的直径为9mm的结构。在该过滤区域111有上多个直径约为7 µm的圆形的穿孔的微孔12。该穿孔的微孔12是用于过滤或分离目标物。因此，该穿孔的微孔12的形状可以是矩形或六边形，这取决于筛选的目标物。该目标物会被分离在该微孔膜11上。
另外，该穿孔的微孔12以直线交错形状的均匀阵列图样化在该微孔膜11的该过滤区域111上。此外，该微过滤器10的该微孔膜11的该过滤区域111的表面被图样化分为预定区域，例如16个区域（如图1A所示），以定位分离的目标物并快速计算该分离的目标物的数量。该微孔的数量至少为50,000个，且相邻的微孔之间的间隙会优化为约20 μm。此外，该穿孔的微孔12的数量分布在不同的区域中。此外，该微孔膜11的该过滤区域111可进一步涂覆薄膜以促进过滤过程。该非环氧基微孔膜的厚度小于或等于25 μm。
图1B显示出穿孔的微孔通过该微孔膜的设计。该穿孔的微孔12在该微孔膜的该过滤区域111内为圆柱形壁或是锥形壁。
该微过滤单元通过在底部施加负压来运作。由于压力差，样本会通过该微过滤单元的顶部入口到该微过滤单元的底部出口。该微过滤单元的内部有微过滤器，其中该微过滤器为具有多个穿孔的微孔的薄膜。样本中比该微过滤器的微孔大的分子会在该微过滤器的表面被分离，而较小的分子则通过该微孔过滤到出口。可使用可控制的吸入泵（controlled suction pump）施加负压。
利用紫外光、可见光和红外光激光等不同的激光对非环氧基微孔膜（non-epoxy-based microfilm）进行穿孔以制造该微过滤器。使用上述激光都可以生成微孔，但是波长越短，可以获得亚微米直径的微孔。Krf、XeBr等准分子激光可提供精细的圆柱形微孔结构。
该微过滤器可用于医学诊断和预后。它能从血液中分离出较大的有核细胞。有核细胞的计数和收集可以指示疾病的状态。分离出的细胞可进一步用于下游分析，如培养、免疫染色、PCR（聚合酶链式反应）、NGS（下一代测序）等。
该微过滤器可通过识别循环肿瘤细胞（circulating tumor cell，CTC）用于非侵入式的肿瘤转移诊断。肿瘤细胞比正常细胞大。肿瘤细胞可以通过血液通过微过滤器以分离出来。通过免疫荧光染色和荧光显微镜下观察，可以鉴别和计数该微过滤器的表面上所分离的CTC。
在本实用新型的另一个实施例中，通过从母体血液中收集集落形成细胞（colony-forming cell，CFC），该微过滤单元可用于无侵入式的产前诊断。CFC细胞比正常血液成分大。分离出的CFC可以用FISH、NGS等进行遗传分析。
在本实用新型的另一个实例中，该微过滤器可用于从血液中分离微聚集物（microaggregates）。特别是，保存的血液在储存期间可能会有微聚集物。该微过滤器可用于病人输血前清除微聚集物。
请同时参考图2A、2B、2C、2D和2E。一种微过滤单元20，包括：上部框架21，包括于其顶部的入口孔211、上侧壁212，及侧模块213，其包含一端与该上部框架的上侧壁的下部连接并自其延伸的柔性条带2131和可转换入口头2132，如图2E所示，其与该柔性条带的另一端连接，该可转换入口头2132的一端覆盖上部框架11的顶面并与之啮合，另一端连接到外部样本入口注射器（未示出）的样本入口孔，如图2E所示；以及部框架22，包括出口孔221和下圆柱形侧壁222，其中该上部框架和该下部框架通过螺旋联接而相互连接，在该上部框架21和该下部框架22之间夹置有一个微过滤器（未示出），且其中，该可转换入口头可更换为不同的入口头，以相应地与带有不同的外部样本入口注射器啮合，从而提供该样本从该外部样本入口注射器注入、并流经上部框架的入口孔而流入到该下部框架的出口孔的线性信道。该过滤器为一具有多个微孔的非环氧基微孔膜。
在本实用新型的微过滤单元中，该上部框架21的该侧模块213可以将该样本入口孔从较宽的开口调整为较窄的开口。
在本实用新型的微过滤单元中，该上部框架21还包括设置在其内周壁上的上垫片214，该下部框架22还包括设置在该内周壁上的下垫片223，该微过滤器夹在该两个垫片之间。
本实用新型的微过滤单元还包括两个垫片，分别放置在该微过滤器的下方和上方，以避免样本泄漏，并将该微过滤器固定到位，垫片的材料为橡胶。
在本实用新型的微过滤单元中，该上部框架和该侧模块（包括柔性条带和可转换入口头）为一体成型。
在一个实施例中，该柔性条带与该上侧壁的下部可移除地接合，或可移除地接合于该可转换入口头，其中该启动通过公/母对连接器（未示出），例如魔术带或其他可接合组件来执行。
在本实用新型的微过滤单元中，该微过滤器的直径为13 mm，过滤区域的直径为9mm。
本实用新型的微滤装置还包括一个可控制的吸入泵（未示出），用于向出口孔施加负压，使得样本的线性信道由压力差引导。

Claims (21)

1.一种微过滤器，其包括非环氧基微孔膜，以及多个微孔，其被置于所述非环氧基微孔膜的表面上且利用激光烧蚀而穿透于其间，其中，所述微孔膜的表面被图样化分成用于定位分离的目标物及计数的预定区域。
2.如权利要求1所述的微过滤器，其中所述非环氧基微孔膜的材料为透明塑料材料。
3.如权利要求1所述的微过滤器，其中所述非环氧基微孔膜的表面进一步包含薄膜，其用以促进过滤功能。
4.如权利要求1所述的微过滤器，其中所述微孔为圆形微孔。
5.如权利要求4所述的微过滤器，其中每个微孔的平均直径小于或等于10 µm。
6.如权利要求1所述的微过滤器，其中所述微孔为矩形微孔或六角形微孔。
7.如权利要求1所述的微过滤器，其中所述微孔具有贯穿所述非环氧基微孔膜的圆柱形壁。
8.如权利要求1所述的微过滤器，其中所述微孔具有贯穿所述非环氧基微孔膜的锥形壁。
9.如权利要求1所述的微过滤器，其中所述非环氧基微孔膜的厚度范围为5至25 µm。
10.如权利要求1所述的微过滤器，其中所述非环氧基微孔膜上的微孔数量大于50000个。
11.如权利要求1所述的微过滤器，其中相邻的两个微孔之间的距离至少为15 µm。
12.如权利要求1所述的微过滤器，其中在所述非环氧基微孔膜的表面上被图样化分为预定区域的数量为16个。
13.一种微过滤单元，包括：
上部框架，包括：于其顶部的入口孔、上侧壁，及侧模块，其包含一端与所述上部框架的上侧壁的下部连接并自其延伸的柔性条带和可转换入口头，其与所述柔性条带的另一端连接，所述可转换入口头的一端与所述上部框架的顶面啮合，另一端连接到外部样本入口注射器的样本入口孔；以及
下部框架，包括：出口孔和下圆柱形侧壁，其中，所述上部框架和所述下部框架通过螺旋联接相互连接，所述上部框架和所述下部框架之间夹置权利要求1-12任一项所述的微过滤器，且其中，所述可转换入口头可替换为不同的入口头，以相应地与具有不同样本入口孔的外部样本入口注射器啮合，从而提供所述样本从所述外部样本入口注射器注入、并流经所述上部框架的入口孔而流入所述下部框架的出水口的线性信道。
14.如权利要求13所述的微过滤单元，其中所述上侧壁与包括所述柔性条带和所述可转换入口头的所述侧模块为一体成型。
15.如权利要求13所述的微过滤单元，其中所述柔性条带与所述上侧壁的下部可移除地接合，或可移除地与所述可转换入口头接合。
16.如权利要求13所述的微过滤单元，其中所述上部框架的所述侧模块可将所述样本入口孔从较宽的开口调整为较窄的开口。
17.如权利要求13所述的微过滤单元，其中所述上部框架进一步包括设置在其内周壁上的上垫片，该下部框架进一步包括设置在其内周壁上的下垫片，且其中所述微过滤器夹置在所述上垫片和所述下垫片之间。
18.如权利要求13所述的微过滤单元，其中所述微过滤单元进一步包括两个垫片，分别位于所述微过滤器的下方和上方，以避免样本泄漏，并将所述微过滤器固定到位。
19.如权利要求13所述的微过滤单元，其中所述侧模块与所述样本入口注射器为一体成型。
20.如权利要求13所述的微过滤单元，其中所述微过滤器的直径为13 mm，且所述微过滤器的过滤区域的直径为9 mm。
21.如权利要求13所述的微过滤单元，其中所述微过滤单元进一步包括可控制的吸入泵，用于向所述出口孔施加负压，从而使所述样本的线性信道由压力差引导。
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