DE102008050750A1 - Baukastensystem zum methodenorientierten Zusammenstecken von Funktionseinheiten zum Mischen, Bearbeiten und/oder Trennen von Proben zur Anwendung in der biologischen/medizinischen Forschung und für die Diagnostik - Google Patents

Baukastensystem zum methodenorientierten Zusammenstecken von Funktionseinheiten zum Mischen, Bearbeiten und/oder Trennen von Proben zur Anwendung in der biologischen/medizinischen Forschung und für die Diagnostik Download PDF

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Abstract

Mischen, physikalische und/oder chemische Reaktionen und Separieren sind grundlegende Verfahrensschritte in der biologischen Forschung und Diagnostik. Insbesondere in der Forschung werden aufgabenspezifische Laborsysteme benötigt, die wegen kleiner Seriengrößen und der spezifischen Problemstellung kommerziell nicht verfügbar sind. In Ermanglung dieser Systeme muss mit vorhandenen Gefäßen, Filtern, Zentrifugen usw. improvisiert werden, um die Aufgabe zu lösen. Ziel der Erfindung ist es, ein System von Funktionseinheiten bereitzustellen, die je nach der methodischen Aufgabenstellung zusammengesteckt werden können. Das erfindungsgemäße System besteht aus frei kombinierbaren Funktionseinheiten, nämlich aus Mischzylindern, Abtrennvorrichtungen und einer Vakuumeinheit, das so gestaltet ist, dass sie über einfache Steckverbindungen in einer beliebigen Reihenfolge mit beliebig vielen Funktionseinheiten zu einem in sich geschlossenen Probenbearbeitungssystem verbunden sind.

Description

  • Mischen, physikalische und/oder chemische Reaktionen und Separieren sind grundlegende Verfahrensschritte in der biologischen Forschung und Diagnostik. Insbesondere in der Forschung werden aufgabenspezifische Laborsysteme benötigt, die wegen kleiner Seriengrößen und der spezifischen Problemstellung kommerziell nicht verfügbar sind. In Ermanglung dieser Systeme muss mit vorhandenen Gefäßen, Filtern, Zentrifugen usw. improvisiert werden, um die Aufgabe zu lösen.
  • Ziel der Erfindung ist es daher, ein System von Funktionseinheiten bereitzustellen, die je nach der methodischen Aufgabenstellung zusammengesteckt werden können.
  • Diese Aufgabe wird gemäß den Ansprüchen gelöst.
  • Die Erfindung, die gemäß den Ansprüchen realisiert wird, betrifft ein System gemäß Anspruch 1 und seine Verwendung gemäß Anspruch 19. Die weiteren Ansprüche 2–18 und 20 sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
  • Die Erfindung betrifft demnach ein, insbesondere zum Mischen, Bearbeiten und/oder Trennen von Proben geeignetes, System von frei kombinierbaren Funktionseinheiten, das aus
    • – wenigstens einem Mischzylinder (2)
    • – wenigstens einer Abtrennvorrichtung (3) und
    • – einer Vakuumeinheit (5)
    besteht, wobei das System so gestaltet ist, dass die Funktionseinheiten (2; 3; 5) über einfache Steckverbindungen in einer beliebigen Reihenfolge, insbesondere mit beliebig vielen Funktionseinheiten, zu einem, vorzugsweise in sich geschlossenen, Probenbearbeitungssystem verbunden sind.
  • Die Funktionseinheiten gemäß der Erfindung bestehen also aus
    • – Mischzylindern
    • – Abtrennvorrichtungen und
    • – einer Vakuumeinheit.
  • Das System ermöglicht das Verwenden unterschiedlicher zylinderartiger (einseitig geschlossene) Behältnisse, wie z. B. Probenröhrchen. Das wird durch skalieren der Abmessungen erreicht. Die zylinderartigen Behältnisse können als Sammel- oder Abfallgefäß für die Überstände bzw. die jeweiligen Fraktionen eingesetzt werden.
  • Als ein entscheidendes Kriterium erweist sich die Gestaltung der Übergänge zwischen den zusammengesteckten Funktionseinheiten. Diese Verbindung wird durch eine keilförmige Geometrie erreicht. Um zu verhindern das sich Probenmaterial durch Kapillarkräfte, in den Dichtraum zwischen die Funktionseinheiten zieht, wird eine Liniendichtung und Polypropylen verwendet. Als Liniendichtung kommen zwei Varianten in Frage (3G, 3H). Variante 1 ist die im Spritzguss einfacher herzustellende Geometrie. Hier ist der Keil im unteren Teil etwas begradigt, so dass eine umlaufende Verbindung zwischen zwei Funktionseinheiten zu Stande kommt. Variante 2 ist ein umlaufender Ring am Ende der Steckverbindung. Diese führt zu einer zusätzlichen Ringverbindung. Eine schräge Ebene auf der Oberseite der Abtrenneinheiten ermöglicht ein gerichtetes Rückspülen des Retentates von der Filterfläche bei gleichzeitiger Reduzierung der Menge an Rückspülflüssigkeit.
  • Abstandshalter verhindern, dass die Trennmembran während des Rückspülvorgangs mit Wandung des Röhrchens in Kontakt kommt.
  • 1. Mischzylinder
  • Der Mischzylinder ist beidseitig offen und wird auf der einen Seite durch einen Deckel mit Filmscharnier und auf der anderen Seite durch eine abziehbare Folie verschlossen. Der Mischzylinder dient der Probenaufnahme. Der Innenraum ist so gestaltet, dass er gleichzeitig als Mischgefäß zur Erzielung chemischer oder physikalischer Reaktionen dienen kann. Die Geometrie des Mischzylinders sichert
    • – geringe Scherkräfte
    • – Minimale Toträume
    • – Maximale Probenrückgewinnung
  • Besonderheiten zur Einhaltung der Anforderungen sind
    • – Deckel mit Filmscharnier-Füllseite Von hier erfolgen das Füllen des Mischzylinders mit Probenmaterial und optional Reaktionsmaterial und Lösungen. Das Filmscharnier ermöglicht aseptisches Arbeiten. Für die Verwendung des Mischzylinders in Kombination mit mechanischen Mischvorrichtungen hat der Deckel eine Umlaufkante. Sie vermeidet ein verhaken oder stecken bleiben des Zylinders während des Mischvorganges, Um eine ungehinderte Umdrehung des Mischzylinders mit Filmscharnier zu gewährleisten, wird der Deckel zusätzlich mit einer Umlaufkante modifiziert.
    • – Folienseite-Entleerungsseite Die Folie wird durch Wärme am Zylinder befestigt (thermoverschweißt). Die Folie wird bei Bedarf (z. B. nach Inkubation mit Stoffen) durch abziehen durch den angebrachten Vorsprung entfernt.
  • 2. Abtrennvorrichtung
  • Die Abtrennvorrichtungen basieren auf dem Prinzip des Filtrierens. Das Filtermaterial und die Porengröße wir entsprechend der Aufgabenstellung bereitgestellt. Es kann sowohl dem Separieren durch Größentrennung dienen, wie auch dem Immobilisieren von Substanzen. Da die Abtrennvorrichtungen selbst als Gefäße dienen, können sie auch als Reaktionsraum für chemische Reaktionen dienen (z. B. aktivieren und koppeln von Proteinen) wie auch Stoffe aufnehmen mit selektiven Eigenschaften (z. B. mit bestimmten Affinitäten).
  • 3. Vakuumeinheit
  • Die Vakuumeinheit ist verantwortlich für einen definierten Flüssigkeitsstrom und unterstütz die Trennreinheit bei der Anwendung von mehr als 2 Abtrennvorrichtungen. Durch das Verschließen der Vakuumeinheit kann Flüssigkeit, für Inkubationszwecke (z. B. für immunchemische Reaktionen) auf der Membran gehalten werden. Nach öffnen des Vakuumverschlusses fließt die Flüssigkeit in den Sammelbehälter. Die Zielsubstanz kann sich je nach Aufgabenstellung entweder im Durchlauf befinden, an der Membran immobilisiert oder an festen Trägern, die in den Reaktionsraum der Abtrennvorrichtung gegeben wurden.
  • Die Vakuumeinheit kann entweder über eine Gewindes oder über eine Keilkonstruktion mit dem Sammel- und oder Abfallgefäß verbunden werden.
  • Die Hersteller unterscheiden sich stark im Anstieg des Gewindes, jedoch variiert der Innendurchmesser der Röhrchen nur um wenigen Mikrometer. Dieser kann durch eine einfache Keilkonstruktion der Vakuumeinheit ausgeglichen werden. Die Fixierung erfolgt als „Presspassung”. Somit ergibt sich ein System, welches dem Anwender die Möglichkeit bietet, seine vorhandenen Röhrchen zu verwenden.
  • Im Folgenden wird das, in 5E und 5F, dargestellte Prinzip der Vakuumfiltration kurz erläutert. Die Vakuumeinheit wurde so konstruiert, dass eine Flüssigkeitsbewegung ausschließlich über die Bewegung der Einmalspritze (57) erfolgt. Da das System geschlossen ist, kann keine Flüssigkeit aus dem Mischzylinder (2) über die Trenneinheit (3) in das Auffanggefäß (7) laufen. Das verwendete Membranmaterial dient als zusätzliche Barriere und verhindert den Ausgleich von Luft aus dem Auffanggefäß gegen die Flüssigkeit im Vorlagegefäß. Wird die Spritze aufgezogen bildet sich im Auffanggefäß ein Unterdruck, der die Flüssigkeit aus dem Vorlagengefäße über die Trennmembran in das Auffanggefäß befördert. Die zwei Rückschlagventile (56) erlauben es die Luft aus der Spritze zu schieben, ohne das Luft zurück in die Trenneinheiten gedrückt wird.
  • Legende zu den Abbildungen:
  • 1A: 3D Darstellung von 2 Trenneinheiten
  • 1B: Seitliche Darstellung der Trenneinheiten
  • 1C: Seitliche Schnittdarstellung der Trenneinheiten
  • 1D: Ansicht der Trenneinheiten von Oben
  • 1E: Ansicht der Trenneinheiten von Unten
  • 2A: Seitliche Darstellung des Mischzylinders mit geöffnetem Deckel
  • 2B: Seitliche Darstellung des Mischzylinders mit geschlossenem Deckel
  • 2C: Hintere Ansicht des Mischzylinders mit geschlossenem Deckel
  • 2D: Schnittansicht des Mischzylinders mit geöffnetem Deckel
  • 2E: Schnittansicht des Mischzylinders mit geschlossenem Deckel
  • 2F: Ansicht des Mischzylinders mit geöffnetem Deckel von Unten
  • 2G: Ansicht des Mischzylinders mit geöffnetem Deckel von Oben
  • 2H: Ansicht des Mischzylinders mit geöffnetem Deckel von Unten
  • 2I: Ansicht des Mischzylinders mit geöffnetem Deckel von Unten
  • 3A: 3D Darstellung einer Trennmembran
  • 3B: Seitliche Darstellung einer Trennmembran
  • 3C: Vordere Ansicht einer Trennmembran
  • 3D: Schnittansicht einer Trennmembran
  • 3E: Ansicht einer Trennmembran von Oben
  • 3F: Ansicht einer Trennmembran von Unten
  • 3G: Liniendichtung Variante
  • 3H: Liniendichtung Variante
  • 3I: Verbund von 2 Trenneinheiten
  • 3K: Schnittdarstellung der 2 Trenneinheiten mit Varianten der Liniendichtung
  • 3L: Darstellung der Rückspülebene
  • 3M: Seitliche Darstellung eines Siebes zum Rückspülen des Retentates
  • 3N: Seitliche Darstellung eines Siebes zum Rückspülen des Retentates
  • 3O: Schnittdarstellung des Aufbaues zum Rückspülen des Retentates
  • 5A: 3D Darstellung der Vakuumeinheit
  • 5B: Seitenansicht der Vakuumeinheit
  • 5C: Schnittdarstellung der Vakuumeinheit
  • 5D: Draufsicht der Vakuumeinheit
  • 5E: Anschluss einer Vakuumvorrichtung – vor der Filtration
  • 5F: Anschluss einer Vakuumvorrichtung – nach der Filtration
  • 5G: Aufbau zum Ablösen von Zellen auf der Sieboberfläche
  • 5H: Schnittdarstellung des Aufbaus zum Ablösen von Zielen von der Membranoberfläche
    • 1
    Trenneinheiten
    2
    Mischzylinder
    3
    Trennmembran
    5
    Vakuumeinheit
    7
    Sammel-/Auffangbehälter
    20
    Filmscharnier
    21
    Umlaufkante
    22
    Aussparung zum Öffnen des Deckels
    23
    Deckel
    24
    Außenwandung des Mischzylinders
    25
    Flächenpassung
    26
    Liniendichtung
    27
    Innenwandung des Mischzylinders
    28
    Verschlussfolie
    29
    Abreißzunge für die Verschlussfolie
    30
    Außenwandung einer Trenneinheit über dem Griffstück
    31
    Griffstück
    32
    Abstandshalter
    33
    Stege
    34
    Außenwandung einer Trenneinheit unter dem Griffstück
    35
    Flächenpassung
    36
    Liniendichtung
    37
    Aussparung für Ventilation an der Außenwandung der Trenneinheit unter dem Griffstück
    38
    Aussparung für Ventilation am Griffstück
    39
    Trennmembran
    40
    Rückspülebene
    41
    Rückspülreservoir
    42
    Ablaufkante
    50
    Außenwandung der Vakuumreinheit
    51
    Anschlussstutzen männlich
    52
    Flächenpassung Vakuum der Vakuumeinheit
    53
    Liniendichtung
    54
    Nasen des Anschlussstutzens
    55
    Ausgangslösung
    56
    Rückschlagventil
    57
    Einmalspritze
    58
    Filtrat
    59
    Ablösereservoir
    60
    Zwischenraum zur Verhinderung von Flüssigkeitsabsaugung mit der Vakuumvorrichtung.
  • Alle in der vorangehenden Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und den Abbildungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims (20)

  1. System von frei kombinierbaren Funktionseinheiten bestehend aus – wenigstens einem Mischzylinder (2) – wenigstens einer Abtrennvorrichtung (3) und – einer Vakuumeinheit (5) so gestaltet, dass die Funktionseinheiten über Steckverbindungen in einer beliebigen Reihenfolge, insbesondere mit beliebig vielen Funktionseinheiten, zu einem, vorzugsweise in sich geschlossenen, Probenbearbeitungssystem verbunden sind, insbesondere zum Mischen, Bearbeiten und/oder Trennen von Proben.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es auf handelsübliche Behältnisse verbracht werden kann.
  3. System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischzylinder (2) beidseitig von beiden Seiten temporär verschlossen werden kann.
  4. System nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum der Mischzylinder so gestaltet ist, das eine optimale Durchmischung der Proben ermöglicht.
  5. System nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennvorrichtungen auf dem Prinzip des Filtrierens bestehen.
  6. System nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Stofftrennen Membranen eingesetzt werden können mit einem Porendurchmesser zwischen 10 nm und 1 mm.
  7. System nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen aus bekannten Materialien bestehen und sowohl als Größenfilter wie auch als feste Träger mit immobilisierender Oberflächengestaltung Verwendung finden können.
  8. System nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennvorrichtungen als Reaktionsgefäß für chemische und/oder physikalische Reaktionen dienen können.
  9. System nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennvorrichtungen bei Bedarf mit Öffnungen zum Beschicken oder Entleeren versehen werden können.
  10. System nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vakuumeinheit mit Dreiwegehahn den Abschluss des Probenbearbeitungssystems bildet.
  11. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Vakuumeinheit Verweilzeit und Durchlaufzeit der Probe in bzw. durch die Funktionseinheiten frei reguliert werden kann.
  12. System nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass es verbunden werden kann mit handelsüblichen Gefäßen zur Aufnahme des Durchflusses.
  13. System nach einem der Ansprüche 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass es aus – einem Mischzylinder (2) – zwei bis zehn, vorzugsweise zwei, Abtrennvorrichtungen (3) und – einer Vakuumeinheit (5) besteht, die in dieser Abfolge in Reihe angeordnet sind.
  14. System nach einem der Ansprüche 1–13, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Mischzylinder (2) die Merkmale 20–29 gemäß der Bezugszeichenliste und/oder den Abbildungen aufweist.
  15. System nach einem der Ansprüche 1–14, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Abtrennvorrichtung (3) die Merkmale 30–42 gemäß der Bezugszeichenliste und/oder den Abbildungen aufweist.
  16. System nach einem der Ansprüche 1–15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumeinheit (5) die Merkmale 50–60 gemäß der Bezugszeichenliste und/oder den Abbildungen aufweist.
  17. System nach einem der Ansprüche 1–16, insbesondere als Trenneinheit ausgestaltet, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner einen Sammel- und/oder Auffangbehälter (7) aufweist, der vorzugsweise mit der Vakuumeinheit (5) verbunden ist.
  18. System nach Anspruch 17, insbesondere als Trenneinheit ausgestaltet, dadurch gekennzeichnet, dass es gemäß den 1A–1E ausgestaltet ist.
  19. Verwendung des Systems nach einem der Ansprüche 1–18 für die Anwendung in der biologischen und medizinischen Forschung, für die Diagnostik und für die Produktkontrolle in der Biotechnologie.
  20. Verwendung nach Anspruch 19 zum Mischen, Bearbeiten und/oder Trennen von Proben.
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