DE112019000463B4

DE112019000463B4 - Mikrofluid-chips zum reinigen und fraktionieren von partikeln

Info

Publication number: DE112019000463B4
Application number: DE112019000463.8T
Authority: DE
Inventors: Joshua Smith; Stacey Gifford; Sung-cheol Kim; Benjamin Wunsch
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2018-01-19
Filing date: 2019-01-14
Publication date: 2024-04-25
Anticipated expiration: 2039-01-15
Also published as: GB202010486D0; DE112019000463T5; US20210114028A1; JP2021510516A; CN111615552A; US11872560B2; US20190224677A1; CN111615552B; GB2583625A; WO2019142087A1; US10946380B2

Abstract

Vorrichtung, die aufweist:eine Schicht eines Mikrofluid-Chips, wobei die Schicht einen Einlass, einen Auslass und ein hydraulisch mit dem Einlass und dem Auslass verbundenes Verdichtungs-Array aufweist, wobei das Verdichtungs-Array eine Durchsatzgeschwindigkeit von 1,0 Nanoliter pro Stunde oder mehr hat.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft Mikrofluid-Chips und insbesondere Mikrofluid-Chips, die ein oder mehrere mikroskalige und/oder mesoskalige Verdichtungs-Arrays aufweisen, mit deren Hilfe Partikel gereinigt und/oder fraktioniert werden können.
Die Fähigkeit zum Reinigen von Partikeln (z.B. Kolloiden) ist bei praktischen Anwendungen und der Analyse von Nanomaterialien beispielsweise in der Biologie und der Medizin von Bedeutung, wo Biokolloide wie Proteine, Vesikel und Organellen die molekularen Bausteine aller Lebewesen bilden. Beispielsweise sind Exosome extrazelluläre Vesikel (EV) mit einer Größe im Bereich von 30 bis 150 Nanometer (nm), die ständig von Zellen abgestoßen werden und sich als vielversprechende Quelle von Biomarkern (z.B. tumorspezifischen Proteinen, Mikro-Ribonukleinsäure („MikroRNS“), Boten-RNS („mRNS“) und Desoxyribonukleinsäure („DNS“)) für Erkrankungen wie Krebs mit einer breiten Anwendung in Bezug auf Diagnose, Überwachung des Verlaufs von Behandlungen und/oder Therapien herausgestellt haben. Zum Teil ist die Attraktivität dieser EV darauf zurückzuführen, dass sie durch minimal- oder nichtinvasive Flüssigbiopsien (z.B. Blut-, Plasma- und/oder Harnproben) für die Analyse entnommen werden können und dadurch die Notwendigkeit für Gewebebiopsien zum Gewinnen diagnostischer Informationen verringert werden kann. Trotz vielversprechender Aussichten fehlt es immer noch an zuverlässigen Verfahren zum Isolieren von Exosomen mit hoher Ausbeute und hohem Reinheitsgrad aus biologischen Proben, um sie zum Vorhersagen und Entdecken von Erkrankungen durch Biomarker zu untersuchen und einzusetzen. Zwar hat sich die Ultrazentrifugation (UC) als Standard zum Isolieren von EV als Standard durchgesetzt, jedoch werden auch weiterhin andere Techniken wie Filtration, Fällung und Bindung auf der Grundlage von Immunaffinität angewendet; im Folgenden wird jedoch beschrieben, dass all diese Techniken Nachteile haben.
Bei der UC werden zum Isolieren von Zellen, EV und Proteinen deren Größenunterschiede genutzt, indem die Drehzahl stufenweise erhöht wird und zwischendurch Fraktionen entnommen werden. Hauptnachteile sind hier hohe Drehzahlen, die die Qualität der EV beeinträchtigen, und lange Laufzeiten (z.B. ungefähr 5 Stunden). Bei der UC handelt es sich um einen manuellen Chargenbetrieb, der oft zu geringerer Exosom-Ausbeute und unbefriedigender EV-Qualität führt.
Zum Aussieben von Zellen und größeren, aus mehreren Organellen bestehenden Vesikeln (MVB) aus biologischen Proben werden üblicherweise Membranfilter, beispielsweise Polyvinyliden-Difluorid (PVDF) oder Polykarbonat verwendet. Mitunter wird dies mit UC gekoppelt, um auch noch Exosome aus Proteinen abzutrennen. Mehrstufige Anordnungen erfordern ein umfangreiches Zentrifugen- oder Vakuumsystem, Verwenden großer Probenvolumina (z.B. 30 bis 100 Milliliter „ml“) sowie Chargenbetrieb und liefern infolge Verstopfens des Siebes üblicherweise nur geringe Ausbeuten.
Zum Umgehen der UC sind verschiedene Lösungen auf der Grundlage von Reagenziensätzen entwickelt worden, darunter EXOEASY®, EXO-SPIN®, EXOQUICK®-Exosom-Fällung, TOTAL EXOSOME ISOLATION REAGENT® und/oder PUREEXO®. Bei diesen Produkten werden spezielle Reagenzien zum Auslösen der Fällung von Exosomen verwendet, zum Beispiel Additive auf der Grundlage von Polyethylenglykol („PEG“). Diese Reagenziensätze liefern aufgrund von Polymerverunreinigungen üblicherweise nur einen unzureichenden Reinheitsgrad, wodurch die nachfolgende Analyse erschwert und oft auf kleine Volumina der Probenchargen begrenzt wird.
Bindung auf der Grundlage von Immunaffinität zielt auf Exosome aus einem komplexen biologischen Fluid ab, zum Beispiel auf Tetraspanin-Proteine wie CD81 auf der Oberfläche von Exosomen oder Marker, die für die Ursprungszelle des Exosom spezifisch sind, um diese zu isolieren. Bei einer üblichen Technik werden zum Binden von Exosomen, die spezifische Marker enthalten, aus Körperfluiden mit Antikörpern beschichtete magnetische Kügelchen verwendet. Diese Verfahren sind aufwändig und beruhen auf spezifischen Antikörpern, die von Charge zu Charge variieren und deren Stabilität zweifelhaft ist. Zwar lassen sich mittels dieses Verfahrens spezifische Untergruppen von Exosomen isolieren, jedoch eignet es sich im Allgemeinen nicht zum Isolieren von Exosomen aus größeren Mengen biologischer Proben.
Angesichts der den vorliegenden Lösungen innewohnenden Nachteile besteht ein Bedarf an einer einfachen, preiswerten, automatisierten und schnellen EV-Isoliertechnik. Zum Erfüllen dieser Anforderungen wurde vielfach auf mikrofluidische oder Lab-on-a-Chip- („LOC“-) Konzepte zurückgegriffen, da damit viele dieser Anforderungen erfüllt werden können. Innerhalb dieses Rahmens sind zum Trennen von Nanopartikeln im Allgemeinen Techniken unter Verwendung einer Mehrzahl Mechanismen untersucht und genutzt worden wie: Feld-Fluss-Fraktionierung, Zentrifugieren, optische Verfahren, Affinitätsbindung, Elektrophorese, Dielektrophorese, Magnetophorese, Akustophorese, lonenkonzentrations-Polarisation, elektrohydrodynamische Wirbel, deterministischer seitlicher Versatz und/oder Siebverfahren. LOC-Verfahren zeichnen sich durch die folgenden Eigenschaften aus, die zumeist mit diesen Zielstellungen einhergehen: schnellere Analyse und kürzere Reaktionszeiten aufgrund kurzer Diffusionswege, schnelles Erwärmen, hohe Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisse, geringe Wärmekapazitäten; niedrigere Fertigungskosten, sodass kostengünstige Einmal-Chips in Massenfertigung hergestellt werden können, auf denen sich mehrere Prozesse integrieren lassen (z.B. Markieren, Reinigen, Trennen und/oder Detektieren); Analyse mit hohem Durchsatz bei hochgradiger Parallelabwicklung aufgrund kompakter Integration; und/oder kleine Fluidvolumina infolge verringerter Merkmalsgrößen von Millimetern bis hinab zu Volumina im Nanometer- sowie Picoliterbereich können bearbeitet werden. Zu beispielhaften LOC-Techniken können die folgenden gehören.
Durch deterministischen seitlichen Versatz im Nanometer-Maßstab („NanoDLD“) können Exosom-Gruppen mit einer Auflösung von einigen zehn Nanometern in einem kontinuierlichen Strömungssystem (ohne Chargenbetrieb) mit einer zugrundeliegenden Arbeitstheorie in Untergruppen fraktioniert werden. In diesen Einheiten wurden zum Beispiel mittels UC gereinigte Exosome verwendet. Das wurde jedoch anhand von sehr geringen Probenvolumina gezeigt, obwohl die Technologie hochgradig parallelisierbar und für größere Volumina geeignet ist.
Exodisc-Technologie kann als Lab-on-a-disc angesehen werden, das mit zwei Nanofiltern zum automatisierten und markierungsfreien Anreichern von EV im Größenbereich von 20 bis 600 nm innerhalb von 30 min unter Verwendung eines mikrofluidischen Tisch-Zentrifugensystems kombiniert ist. Es gibt Exodisc-Verfahren mit >95 % Ausbeute von EV aus Zellkulturen und >100-fach höherer Konzentration von mRNS im Vergleich mit UC. Die Technik kann automatisiert werden, bis zu 1 Milliliter (ml) Urin oder Zellkulturmedium verarbeiten und einen Waschschritt mit Pufferlösung zum Entfernen kleinerer Verunreinigungen aufweisen. Exodiscs sind jedoch groß, was mit zusätzlichen Kosten verbunden ist, und die Probenverarbeitung erfolgt nicht in einer kontinuierlichen Strömung, sondern chargenweise. Ferner können Exosome nicht weiter fraktioniert werden.
Mittels viskoelastischer Fließtechniken können Exosome in einem kontinuierlichen Strom, ohne Feld und ohne Markierung unter Verwendung eines Polymeradditivs (Polyoxyethylen oder PEO) aus Zellkulturmedien und Serum isoliert werden, um die auf EV im Nanometermaßstab einwirkenden viskoelastischen Kräfte zu steuern. Es kann ein Reinheitsgrad der Trennung von >90 % mit einer Ausbeute von >80 % und einem Durchsatz von 200 Mikroliter pro Stunde („µl/h“) erreicht werden. Für viskoelastische Strömungen benötigte Einheiten können jedoch groß sein und Kanäle mit einer Länge von 32 Millimeter (mm) erfordern, um eine seitliche Auflösung von Partikelströmen zu erreichen (zuzüglich Platz für Einlass/Auslass-Anschlüsse). Trennung von Partikelgrößen von 100 nm und/oder 500 nm kann damit erreicht werden, jedoch lässt deren Größenselektivität sie nicht ohne Weiteres als für das Fraktionieren von Exosomen geeignet erscheinen.
Eine Exosom-Filtrieranordnung mit Totaltrennungs-Chip („ExoTIC“) kann ungefähr 4- bis 1.000-mal so hohe EV-Ausbeuten wie durch UC erreichen, indem eine Filtermembran zum Binden kleiner Proteine in geätzten Bahnen aus Polykarbonat und ein Spritzenpumpenantrieb mit Fließgeschwindigkeiten bis zu 5 ml/h verwendet werden (gezeigt sind z.B. bis zu 30 ml/h mit sechs parallelen Spritzen). Durch einen Waschschritt mit Pufferlösung können die EV von kleineren Verunreinigungen befreit werden. Auch Feinfraktionieren durch Abstufen der Filter bis hinab zum Nanometermaßstab kann gezeigt werden, und Exosome aus bestimmten Zelllinien können anhand ihrer Größenverteilung analysiert werden. Da jedoch Filtration und/oder Reinigung im Grunde sequenzielle Prozesse darstellen, handelt es sich hierbei zwangsläufig um einen Chargenprozess, der zum Durchführen einer Probenpräparation länger als 2 Stunden dauert. Ferner scheint eine Nanopartikel-Nachverfolgungsanalyse („NTA“) von feinfraktionierten EV-Gruppen keine strikte Steuerung fraktionierter Größen anzuzeigen.
Oben wurde erwähnt, dass LOC-Technologien auf kleine Fluidvolumina beschränkt sind, was einem industriellen Bedarf an hohem Durchsatz und/oder kürzeren Verarbeitungszeiten entgegensteht, wenn sie nicht für diagnostische Zwecke, sondern zur Probenpräparation von Exosomen eingesetzt werden, wo gegebenenfalls ein Durchsatz an biologischen Fluiden von einem bis mehreren Milliliter pro Stunde gefordert werden kann. Somit können aus der Liste der brauchbaren herkömmlichen Mikrofluidtechniken (z.B. on-Chip und/oder off-Chip) zur Probenpräparation von Exosomen solche mit kleinen Fluidvolumina ausscheiden.
KURZDARSTELLUNG
Im Folgenden wird eine kurze Übersicht gegeben, um ein grundlegendes Verständnis einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung zu ermöglichen. Durch diese Kurzdarstellung sollen weder herausragende oder kritische Elemente markiert noch ein Schutzumfang der einzelnen Ausführungsformen der Erfindung oder ein Schutzumfang der Ausführungsform dargelegt werden. Ihr einziger Zweck besteht darin, Konzepte in einer vereinfachten Form als Skizze für eine später folgende detailliertere Beschreibung darzustellen. Gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung werden Systeme, Vorrichtungen und/oder Verfahren beschrieben, mit deren Hilfe Mikrofluid-Chips realisiert und Partikel gereinigt und/oder fraktioniert werden können.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung bereitgestellt. Die Vorrichtung weist eine Schicht eines Mikrofluid-Chips auf. Die Schicht weist einen Einlass zum Aufnehmen von Fluid, einen Auslass zum Ausgeben einer gereinigten Version des Fluids und eines Verdichtungs-Array auf, das zwischen dem Einlass und den Auslass angeordnet und hydraulisch mit diesen verbunden ist. Das Verdichtungs-Array weist eine Mehrzahl Säulen auf, die in einer Mehrzahl Spalten angeordnet sind. Ferner ist zwischen einer ersten Säule aus der Mehrzahl Säulen in der ersten Spalte aus der Mehrzahl Spalten und einer zweiten Säule aus der Mehrzahl Säulen in der ersten Spalte eine Säulenlücke mit einer Abmessung angeordnet, um eine Durchsatzgeschwindigkeit des Fluids von 1,0 oder mehr Nanoliter pro Stunde zu ermöglichen.
Die Schicht des Mikrofluid-Chips kann ferner ein nanoskaliges Array für deterministischen seitlichen Versatz aufweisen. Das nanoskalige Array für deterministischen seitlichen Versatz ist auch mit dem Verdichtungs-Array verbunden. Ferner werden durch das nanoskalige Array für deterministischen seitlichen Versatz Partikel des in dem Verdichtungs-Array gereinigten Fluids getrennt.
Der Einlass kann hydraulisch mit einem Einlass-Bus verbunden sein, der hydraulisch mit einem Sammelkanal verbunden ist. Der Sammelkanal kann hydraulisch mit einem Auslass-Bus verbunden sein, der hydraulisch mit dem Auslass verbunden ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt. Das Verfahren weist Aufnehmen einer Pufferlösung und einer Probenlösung in einen Mikrofluid-Chip auf, der ein Verdichter-Array, einen Einlass und einen Auslass aufweist. Die Probenlösung weist eine Probe und Rückstände auf. Die Pufferlösung und die Probenlösung fließen mit einer Geschwindigkeit von mehr als ungefähr 1,0 Nanoliter pro Stunde durch das Verdichtungs-Array. Das Verfahren weist ferner Versetzen einer Probe aus der Probenlösung durch das Verdichtungs-Array in einer seitlichen Richtung zu einer Seitenwand des Mikrofluid-Chips auf. Die Probe wird in die Pufferlösung versetzt. Ferner weist das Verfahren Sammeln der Probe getrennt von den Rückständen über den Auslass auf. Das Verdichtungs-Array kann aus einer Gruppe ausgewählt werden, das aus einem mikroskaligen Verdichtungs-Array und einem mesoskaligen Verdichtungs-Array besteht.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt. Die Vorrichtung weist eine Schicht eines Mikrofluid-Chips auf. Die Schicht weist einen Einlass, einen Auslass und ein Verdichtungs-Array auf, das hydraulisch mit dem Einlass und dem Auslass verbunden ist. Das Verdichtungs-Array hat eine Durchflussgeschwindigkeit von mehr als ungefähr 1,0 Nanoliter pro Stunde.
Gemäß einer wählbaren Ausführungsform kann das Verdichtungs-Array eine Mehrzahl Säulen aufweisen, die in einer Mehrzahl Spalten angeordnet sind. Zwischen einer ersten Säule aus der Mehrzahl Säulen in einer ersten Spalte aus der Mehrzahl Spalten und einer zweiten Säule aus der Mehrzahl Säulen in der ersten Spalte kann eine Säulenlücke von 0,5 oder mehr Mikrometer angeordnet sein. Ferner ist die erste Säule der zweiten Säule benachbart.
Somit stellen verschiedene hierin beschriebene Ausführungsformen Mikrofluid-Chip-Entwürfe und Verfahren zum schnellen und vollständigen Isolieren und Reinigen von Partikeln (z.B. Exosomen) sowie zum nachfolgenden Feinfraktionieren von Partikeln (z.B. Exosomen) mit hohen Durchsatzvolumina bereit. Ferner werden Fähigkeiten für hohen Durchsatz durch eine Anordnung eines oder mehrerer mikroskaliger und/oder mesoskaliger Verdichtungs-Arrays gewonnen. Ausführungsformen der hierin beschriebenen Erfindung ermöglichen Isolieren von Partikeln (z.B. Exosomen) mit: hoher Empfindlichkeit, hohem Volumendurchsatz, Reinigen und/oder Sammeln von Partikeln (z.B. Exosomen) in einer kontinuierlichen Strömung, verkürzte Bearbeitungsdauer, Fähigkeiten zum Feinfraktionieren und/oder zum Automatisieren geeigneter kompakter Architektur.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Schaubild eines mikroskaligen Verdichtungs-Array, das einen Mikrofluid-Chip zum Umsetzen der Erfindung aufweist;
2 ist ein Schaubild eines Mikrofluid-Chips zum Umsetzen der Erfindung;
3 ist ein Schaubild einer Gitterstruktur für das Verdichtungs-Array;
4 ist ein Schaubild einer Gitterstruktur für das Verdichtungs-Array;
5 ist ein Schaubild einer Gitterstruktur für das Verdichtungs-Array;
6 ist ein Schaubild eines Mikrofluid-Chips zum Umsetzen der Erfindung;
7 ist ein Schaubild eines durch einen Mikrofluid-Chip zum Umsetzen der Erfindung ermöglichten Strömungspfades;
8 ist ein Schaubild eines durch einen Mikrofluid-Chip zum Umsetzen der Erfindung ermöglichten Strömungspfades;
9 ist ein Schaubild eines Verteileranschlusses gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
10 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Reinigen und/oder Fraktionieren eines oder mehrerer Partikel zum Umsetzen der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende detaillierte Beschreibung dient nur dem Veranschaulichen und soll nicht die Erfindung und/oder Anmeldung oder die Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung einschränken. Außerdem besteht nicht die Absicht, an eine ausdrückliche oder angedeutete Information gebunden zu sein, die in den vorhergehenden Kapiteln Hintergrund oder Kurzdarstellung oder in der detaillierten Beschreibung dargeboten wird.
Nunmehr werden eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugsnummern verwendet werden, die sich durchweg auf gleiche Elemente beziehen. In der folgenden Beschreibung sind zur Erläuterung zahlreiche spezielle Einzelheiten dargelegt, um ein besseres Verständnis der Erfindung zu ermöglichen. Es ist jedoch klar, dass die Erfindung in verschiedenen Fällen ohne diese speziellen Einzelheiten umgesetzt werden kann.
1 veranschaulicht ein Schaubild eines Verdichtungs-Array 100 zum Umsetzen der Erfindung. Das Array 100 ist innerhalb eines Mikrokanals 103 angeordnet und weist eine Mehrzahl Säulen 102 auf. Das Array 100 arbeitet nach einem Prinzip des hydrodynamischen Chaos, das durch eine oder mehrere Gitterstrukturen 104 ermöglicht wird, die durch die Säulen 102 definiert sind. Bei dem Array 100 kann es sich um ein mikroskaliges Array und/oder ein mesoskaliges Verdichtungs-Array handeln. Zum Beispiel hat das Array 100 eine oder mehrere Geometrien im mikroskaligen und/oder mesoskaligen Maßstab. Der hierin verwendete Begriff „mikroskaliger Maßstab“ bezieht sich auf Einheiten, Vorrichtungen und/oder Merkmale mit einer oder mehreren charakteristischen Abmessungen größer als oder gleich 1 Mikrometer und kleiner als oder gleich 999 Mikrometer. Der hierin verwendete Begriff „mesoskaliger Maßstab“ bezieht sich auf Einheiten, Vorrichtungen und/oder Merkmale mit einer oder mehreren charakteristischen Abmessungen größer als oder gleich 0,1 Millimeter und kleiner als oder gleich 100 Millimeter.
Ein Fluid kann durch den Mikrokanal 103 und damit auch das Array 100 in einer durch den Pfeil „F“ in 1 angezeigten Richtung fließen. Wenn eine Fluidströmung F durch das Array 100 geleitet wird, wird das Fluid durch die Säulen 102 abgelenkt, sodass die Fluidströmung eine geringfügige seitliche Komponente erhält, die über die Länge des Mikrokanals 103 hinweg nicht herausgemittelt wird. Durch einen effektiven seitlichen Versatz des Fluids werden die in dem Fluid enthaltenen Partikel (z.B. Kolloide) seitlich verschoben und dadurch ein räumlicher Versatz oder eine „Verdichtung“ innerhalb des Array 100 bewirkt. Durch das Array 100 werden ein oder mehrere Partikel (z.B. Kolloide) zu einer konzentrierten Strömung gebündelt. Ferner kann die konzentrierte Strömung Partikel (z.B. Kolloide) einer bestimmten Größe und/oder Partikel (z.B. Kolloide) verschiedener Größen aufweisen.
Verdichten von Partikeln (z.B. Kolloiden) des Fluids zu einer konzentrierten Strömung ist zum Konzentrieren einer Probe und/oder zum Präparieren einer Probe zur weiteren Trennung in Einzelströmungen auf der Grundlage von Grö-ße/Chemismus zum Reinigen geeignet. Da die Fluidströmung selbst durch das Array 100 beeinflusst werden kann, unterliegen die Partikel (z.B. Kolloide) innerhalb des Fluids ungeachtet ihrer Größe demselben seitlichen Versatz. Das Verdichten (z.B. der seitliche Versatz des Fluids) durch das Array 100 hängt von der Geometrie der Gitterstrukturen 104 und/oder der Säulen 102 ab. Nach dem Stand der Technik wird die Geometrie bisher nur im Nanometermaßstab (z.B. kleiner als 500 Nanometer (nm) für alle Abmessungen) definiert. Gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung weist das Verdichtungs-Array 100 eine mikroskalige Struktur auf, mit der Partikel im Nanometermaßstab (z.B. Kolloide) beeinflusst werden können.
1 zeigt, dass die Säulen 102 in Spalten (z.B. der Spalte 105, die den Mikrokanal 103 entlang der „y“-Achse durchzieht) und/oder Zeilen angeordnet sein können (z.B. der Spalte 107, die den Mikrokanal 103 entlang der „x“-Achse durchzieht. Außerdem können benachbarte Spalten (z.B. die benachbarten Spalten 105, 109) gegeneinander versetzt sein (z.B. entlang der y-Achse), sodass die Zeilen unter einem Winkel zu einer oder mehreren Wänden 106 des Mikrokanals angeordnet sind. 1 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer Gitterstruktur 104, die durch vier Säulen definiert ist (z.B. kann die Säule 102 ein Beispiel der vier Säulen sein).
Die Gitterstruktur 104 kann durch vier Säulen definiert sein (wobei z.B. eine oder mehrere Säulen wie bei Säule 102 gezeigt sein können). Die Gitterstruktur 104 kann in dem gesamten Verdichtungs-Array 100 und/oder in einem Teil des Verdichtungs-Array 100 angeordnet sein. Ferner können die vier Säulen 102 einander benachbart sein. Zum Beispiel kann eine Gitterstruktur 104 durch zwei benachbarte Säulen 102 einer Spalte 105 und zwei benachbarte Säulen einer Zeile 107 definiert sein, wobei die Spalte 105 und die Zeile 107 einander benachbart sein können. 1 zeigt ein Beispiel von vier beispielhaften Säulen, durch die eine Gitterstruktur 104 mit gestrichelten Linien definiert ist. Ferner ist in 1 gezeigt, dass gestrichelte Linien eine vergrößerte Ansicht einer durch die vier Säulen 102 definierten Gitterstruktur darstellen. Dem Fachmann ist klar, dass das Array 100 außer an der in 1 gezeigten Stelle der Gitterstruktur 104 eine oder mehrere Gitterstrukturen 104 an einer oder mehreren Stellen innerhalb des Mikrokanals 100 aufweisen kann.
In 1 ist gezeigt, dass mit „E“ ein seitlicher Versatz zwischen Mittelpunkten 108 von Säulen 102 aufeinander folgender Spalten dargestellt ist. Der seitliche Versatz (z.B. durch E dargestellt) zwischen aufeinander folgenden Spalten von Säulen 102 ist durch die Formel 1: D_y/N festgelegt. Der seitliche Versatz (z.B. durch E dargestellt) des Array 100 ist größer als oder gleich 0,01 und/oder kleiner als oder gleich 0,3.
In 1 ist gezeigt, dass mit „D“ ein erster Abstand in der gesamten Gitterstruktur 104 entlang der y-Achse des Array 100 dargestellt ist. D_y erstreckt sich von einer ersten Begrenzung 110 der Gitterstruktur 104 bis zu einer zweiten Begrenzung 112 der Gitterstruktur 104. Ferner ist die erste Begrenzung 110 durch eine erste Mittellinie einer ersten Zeile Säulen 102 definiert, und die zweite Begrenzung 112 ist durch eine zweite Mittellinie einer zweiten Zeile Säulen 102 definiert; wobei die erste Zeile Säulen 102 und die zweite Zeile Säulen 102 einander benachbart sind. D_y ist größer als oder gleich 1 µm und/oder kleiner als oder gleich 100 µm.
In 1 ist gezeigt, dass mit „N“ eine Anzahl aufeinander folgender Spalten dargestellt ist, nach denen der seitliche Versatz aufgehoben ist und zwei Spalten wieder aufeinander ausgerichtet sind. Bei dem in 1 gezeigten Array 100 ist N zum Beispiel gleich 10, was durch das gestrichelte Dreieck 114 angezeigt ist, das als Beispiel für den seitlichen Versatz steht.
Ferner ist in 1 gezeigt, dass mit „D“ ein zweiter Abstand in der gesamten Gitterstruktur 104 entlang der x-Achse des Array 100 dargestellt ist. D_x erstreckt sich von einer dritten Begrenzung 116 der Gitterstruktur 104 bis zu einer vierten Begrenzung 118 der Gitterstruktur 104. Ferner ist die dritte Begrenzung 116 durch eine dritte Mittellinie einer ersten Spalte Säulen 102 definiert, und die vierte Begrenzung 118 ist durch eine vierte Mittellinie einer zweiten Spalte Säulen 102 definiert; wobei die erste Spalte Säulen 102 und die zweite Spalte Säulen 102 einander benachbart sind. Außerdem ist D_y entlang einer ersten Richtung (z.B. entlang der y-Achse des Array 100) gemessen, die senkrecht zu einer zweiten Richtung steht (z.B. entlang der x-Achse des Array 100), entlang welcher D_x gemessen werden kann. D_x ist größer als oder gleich 1 µm und kleiner als oder gleich 100 µm.
Weiterhin ist in 1 gezeigt, dass mit „D₀“ ein Durchmesser der Säulen 102 dargestellt ist, durch welche die Gitterstruktur 104 definiert ist. D₀ ist größer als oder gleich 0,5 µm und/oder kleiner als oder gleich 99,5 µm. Ferner haben die Säulen 102 eine Höhe größer als oder gleich 1 µm und/oder kleiner als oder gleich 100 µm. In 1 ist gezeigt, dass mit „G“ eine Säulenlücke zwischen benachbarten Säulen 102 derselben Spalte dargestellt ist. Das Array 100 hat ein G größer als oder gleich 0,5 Mikrometer (µm) und/oder kleiner als oder gleich 100 µm. Ferner ist in 1 gezeigt, dass mit „θ“ ein Winkel in Bezug auf eine Wand 106 des Mikrokanals 103 dargestellt ist. θ ist größer als 0 Grad und kleiner als 90 Grad.
Ein Gitterverhältnis der Gitterstruktur 104 ist durch die Formel 2-D_x/D_y gekennzeichnet. Das Gitterverhältnis ist größer als 0,1 und/oder kleiner als oder gleich 1,0, um die Arbeitsweise des Array 100 zu gewährleisten. Außerdem ist ein Geometrieverhältnis des Array 100 durch die Formel 3:D₀/D_y gekennzeichnet. Das Geometrieverhältnis ist größer als 0,1 und kleiner als oder gleich 1,0, um die Arbeitsweise des Array 100 zu gewährleisten. Außerdem weist das Verdichtungs-Array 100 mehr als oder genau 100 Spalten Säulen 102 auf, um die Arbeitsweise zu gewährleisten. Zum Beispiel hat das Verdichtungs-Array 100 eine Gesamtlänge (z.B. entlang der x-Achse) von mehr als oder genau 0,1 Millimeter (mm) und weniger als oder gleich 10 mm. Ein Beispiel des Array 100 mit einer oder mehreren hierin beschriebenen Geometrien kann eine mikroskalige und/oder mesoskalige Array-Struktur 100 und/oder hohe Durchsatzgeschwindigkeiten ermöglichen.
Die Säulen 102 können eine Vielfalt an Formen haben, die die hierin beschriebenen geometrischen Abmessungen ermöglichen können (z.B. in Bezug auf das Array 100 und/oder die Gitterstruktur 104). Als Formen der Säule 102 kommen infrage, ohne darauf beschränkt zu sein: kreisförmig, dreieckig, quadratisch, U-förmig, rübenförmig, fünfeckig (z.B. ein unregelmäßiges Fünfeck) und/oder dergleichen. Das Array 100 kann eine Mehrzahl Gitterstrukturen 104 haben, wobei entsprechende Gitterstrukturen 104 in Abhängigkeit vom Ort der Gitterstruktur 104 entlang des Verdichtungs-Array 100 veränderliche Geometrien haben können.
Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die Arrays 100 die hierin beschriebenen Geometrien aufweisen, können mikroskalige und/oder mesoskalige (z.B. durch G dargestellte) Säulenlücken haben, die der Fluidströmung einen höheren Leitwert als herkömmliche nanoskalige Säulenlücken verleihen. Außerdem können die mikroskaligen und/oder mesoskaligen Säulenlücken größere Säulen 102 ermöglichen als herkömmliche Arrays, die während der Fertigung unter Verwendung von reaktivem Ionenätzen gebildet werden können und dadurch eine weitere lineare Durchsatzsteigerung bewirken.
2 veranschaulicht ein Schaubild einer Schicht 200 eines Mikrofluid-Chips zum Umsetzen der Erfindung. Der Kürze halber wird auf wiederholtes Beschreiben gleicher Elemente verzichtet, die in anderen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben werden. Bei dem Chip kann es sich um ein Lab-on-Chip handeln, das zum Reinigen und/oder Fraktionieren eines Proben-Fluids (z.B. eines biologischen Proben-Fluids) entwickelt wurde. Außerdem kann der Chip ein Bestandteil einer handbetriebenen Vorrichtung und/oder ein Reinigungssystem handeln (das z.B. ein automatisiertes System enthält). Zum Beispiel kann die Vorrichtung und/oder das System eine oder mehrere Druckbeaufschlagungseinheiten aufweisen, um ein Fluid (z.B. ein Proben-Fluid und/oder ein Puffer-Fluid) zu veranlassen, von einem oder mehreren ersten Behältern (z.B. Einlassbecken) durch ein oder mehrere Verdichtungs-Arrays 100 bis zu einem oder mehreren zweiten Behältern (z.B. Auslassbecken) zu fließen.
Die Schicht 200 weist eine Mehrzahl Einlässe und/oder Auslässe auf, die hydraulisch mit einem oder mehreren Arrays 100 verbunden sind, um ein oder mehrere Fluide zu reinigen und/oder zu fraktionieren. Der Chip kann eine Mehrzahl Schichten 200 aufweisen (wobei z.B. entsprechende Schichten 200 horizontal und/oder vertikal einander oder anderen Chip-Schichten benachbart angeordnet sein können). Ein oder mehrere Fluide können mit gleichmäßiger Geschwindigkeit durch die Schicht 200 fließen, was durch eine externe Antriebskraft bewirkt wird, darunter, ohne darauf beschränkt zu sein: elektroosmotische Strömung, druckinduzierte Strömung, Kapillarströmung, eine Kombination derselben und/oder dergleichen.
Ein Problem und ein schwerwiegendes Hemmnis für die Anwendung zur Probenpräparation mittels NanoDLD besteht darin, dass die entstehenden kleinen Arrays und Merkmale einen hohen Strömungswiderstand und somit einen geringeren Durchsatz für ein bestimmtes Array (z.B. ungefähr 0,2 µl/h) haben, sodass Einzel-Arrays zur Exosom-Probenpräparation mit höheren Volumina von 1 bis 10 ml ungeeignet sind. Auf Einzel- und/oder Mehrschicht-Substraten integrierte Verdichtungs-Arrays 100 können jedoch ein Mittel zum Vergrößern der Probenvolumina mit Durchsatzgeschwindigkeiten von mehreren Milliliter pro Stunde bereitstellen.
In 2 ist gezeigt, dass die Arrays 100 hydraulisch mit Probeneinlässen 202 verbunden sind. Ein Probenfluid gelangt durch die Einlässe 202 in die Arrays 100. Die Schicht 200 weist einen Puffereinlass 204 auf, der hydraulisch mit einem oder mehreren Einlassbussen 206 verbunden ist, die wiederum hydraulisch mit den Arrays 100 verbunden sind. Der Puffereinlass 204 kann auch mit einem Pufferbehälter hydraulisch verbunden sein, der auf dem Mikrofluid-Chip oder außerhalb angeordnet ist. Ein Puffer kann von dem Pufferbehälter durch den Puffereinlass 204 zu den Einlassbussen 206 fließen. Weiterhin kann der Puffer durch die Einlassbusse 206 fließen und in die Verdichtungs-Array 100 gelangen. Der Puffer kann als Reinigungsmedium dienen, um den Austausch von Partikeln (z.B. Exosomen) innerhalb des Array 100 zu ermöglichen.
Die die Schicht 200 aufweisenden Arrays 100 können eine Mehrzahl Gitterstrukturen 104 aufweisen, die zum Versetzen des Fluids zu einem oder mehreren Sammelkanälen 208 (die z.B. einen Teil des Array 100 aufweisen) dienen. Der Puffer kann von den Einlassbussen 206 in die Sammelkanäle 208 fließen. Partikel (z.B. Exosome), die das Probenfluid ausmachen, können seitlich in die Sammelkanäle 208 versetzt werden. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer Anordnung von Gitterstrukturen 104 zum Versetzen der Partikel in die Sammelkanäle 208. Somit können mittels der Arrays 100 Gruppen von Partikeln (z.B. Exosomen) bis hinab zu einer bestimmten Partikelgröße in einer Pufferströmung konzentriert und/oder in diese umgeleitet und so die betreffenden Partikel (z.B. Exosome) in Reinform aus dem Probenfluid gewonnen werden.
Die Arrays 100 können ferner mit einem oder mehreren Rückstandsauslässen 210 und/oder einem oder mehreren Auslassbussen 212 hydraulisch verbunden sein. Die Auslassbusse 212 können mit einem oder mehreren Partikelauslässen 214 hydraulisch verbunden sein. Die konzentrierte Strömung aus Puffer und versetzten Partikeln (z.B. Exosomen) kann durch die Sammelkanäle 208 und in die Auslassbusse 212 fließen. Die Strömung aus Puffer und Partikeln (z.B. Exosomen) kann weiter durch die Auslassbusse 212 und durch die Partikelauslässe 214 in einen Partikelbehälter fließen. Das nicht in die Sammelkanäle 208 versetzte Probenfluid (z.B. die Rückstände des Probenfluids) kann aus den Arrays 100 in einen oder mehrere Rückstandsauslässe 210 fließen. Unerwünschte Salze, kleine Moleküle, Proteine und/oder dergleichen können unveränderten Bahnen durch die Arrays 100 folgen, da diese Partikel klein genug sind und dadurch zu den Rückstandsauslässen 210 gelangen.
Da die Arrays 100 bei einer bestimmten Größe der Säulenlücke G am wirksamsten trennen, wenn der Quotient des Zeilenversatzes klein ist, kann die Länge des Array 100 20-mal (20x) so groß oder größer als die Breite des Verdichtungs-Array 100 sein. Daher sind die schmalen und langen Abmessungen des Array 100 bestens für eine kombinierte Anordnung der Verdichtungs-Arrays 100 geeignet, wo die Oberfläche des Mikrofluid-Chips wirksamer genutzt werden kann, den Durchsatz linear mit der Anzahl der hinzugefügten Arrays 100 zu steigern. Einlässe (z.B. der Puffereinlass 204 und/oder die Probeneinlässe 202) und Auslässe (z.B. der Partikelauslass 214 und/oder die Rückstandsauslässe 210) können sich unter Verwendung von Durchgangslöchern in Siliciummaterial (through silicon vials, TSV) mit einer aufgeklebten Glasabdeckung und/oder von der Oberseite des Chips durch aufeinander ausgerichtete strukturierte Löcher in dem aufgeklebten Glas durch den Mikrofluid-Chip erstrecken. Die Durchgangslöcher können auch in durch Spritzguss hergestellten Kunststoffteilen hergestellt werden, beispielsweise in Cycloolefin-Polymer („COP“), die mit biologischen Proben kompatibel sind.
Wiederum Bezug nehmend auf 2 kann hier eine biologische Probe (z.B. ein Probenfluid) wie Urin, Blut, Plasma usw. durch obere Durchgangslöcher (z.B. Probeneinlässe 202) eingegeben und in ein Filterelement nach Wahl auf dem Chip eingeleitet werden. Hierfür können mit Windungen ausgestattete Querstromfilter, Fallen, Siebe oder eine Anzahl anderer Mikrofluidfilter-Anordnungen zum Erfassen von Zellen und größeren MVB und/oder EV infrage kommen, die gleichzeitig Exosome zu den nachfolgenden Verdichtungs-Einheiten durchlassen. Alternativ kann eine Vorfiltration durchgeführt werden, oder die beiden können miteinander kombiniert werden (z.B. Zellen außerhalb des Chips sowie größere MVB und/oder EV auf dem Chip filtern). Probenfluide können entweder hochkonzentriert oder wie von einem Patienten abgenommen eingeleitet oder zuvor durch einen Bediener verdünnt werden. Eine Wasch-Pufferlösung kann aus einem gemeinsamen Einlass (z.B. dem Einlassbus 206) und von diesem wiederum dem Verdichtungs-Array 100 zugeführt werden. In dem Array 100 können Partikel (z.B. EV) bis zu einer bestimmten Grenzgröße zwischen 30 und 100 nm bis zu einem oder mehreren Sammelkanälen 208 abgelenkt werden, die durch die Verdichterabmessungen und -geometrie definiert ist. Abgelenkte EV können in eine Pufferlösung versetzt werden, wo sie in gereinigter Form vorliegen, und kleinere Verunreinigungen (z.B. kleine Moleküle, Lipide, Proteine und/oder dergleichen) können mit der Strömung in die Rückstandsauslässe 210 gelangen.
Gereinigte Partikel (z.B. Exosome) können das Array 100 verlassen und sich in einen gemeinsamen Auslass (z.B. einen Partikelbehälter) ergießen, wo sie durch eine Bedienperson gesammelt werden können. Der Prozess kann teilweise oder komplett automatisiert ablaufen, indem Mikrofluid-Chips in Strömungszellen eingesetzt und vorab benetzt werden und/oder indem die Technologie in einen Einmalartikel aus Kunststoff implementiert und die Fluidströmung durch einen Druckverteiler befördert wird. Die Säulen 102 sind in 2 in Form von dreieckigen Stäben dargestellt, was ihre größere Wirksamkeit der Ablenkung im Vergleich mit kreisförmigen Stäben zeigen soll.
3 ist ein Schaubild einer ersten Anordnung 300 von Säulen 102 (z.B. einer Mehrzahl Gitterstrukturen 104), die ein oder mehrere Verdichtungs-Arrays 100 in der Schicht 200 zum Umsetzen der Erfindung aufweisen kann. Die in 3 gezeigte erste Anordnung 300 kann zwischen den Sammelkanälen 208 angeordnet sein. Ferner kann mittels der in 3 gezeigten Säulenanordnung ein Versatz eines oder mehrerer Partikel (z.B. Exosome) zu den Sammelkanälen 208 hin ermöglicht werden (z.B. kann ein Versatz zu einem ersten Sammelkanal 208 zur linken Seite der ersten Anordnung hin und/oder zu einem zweiten Sammelkanal 208 zur rechten Seite der ersten Anordnung 300 hin gerichtet sein). Dem Fachmann ist klar, dass 3 einen Teil der ersten Anordnung 300 zeigt, dass die Abmessungen (z.B. die Anzahl Säulen 102) nicht auf die in 3 gezeigten Größen beschränkt sind und/oder dass sich die erste Anordnung 300 über die Länge eines oder mehrerer benachbarter Sammelkanäle 208 hinweg erstrecken kann.
4 ist ein Schaubild einer zweiten Anordnung 400 von Säulen 102 (z.B. einer Mehrzahl Gitterstrukturen 104), die ein oder mehrere Arrays 100 in der Schicht 200 zum Umsetzen der Erfindung aufweisen kann. Die in 4 gezeigte zweite Anordnung 400 kann auch zwischen den Sammelkanälen 208 angeordnet sein. Ferner kann die zweite Anordnung 400 auch den Versatz eines oder mehrerer Partikel (z.B. Exosome) zu einer Mehrzahl Sammelkanäle 208 hin ermöglichen (z.B. kann ein Versatz zu einem ersten Sammelkanal 208 zur linken Seite der ersten Anordnung 400 hin und/oder zu einem zweiten Sammelkanal 208 zur rechten Seite der ersten Anordnung 400 hin gerichtet sein). Dem Fachmann ist klar: dass 4 einen Teil der zweiten Anordnung 400 zeigt, dass die Abmessungen (z.B. die Anzahl Säulen 102) nicht auf die in 4 gezeigten Größen beschränkt sind und/oder dass sich die zweite Anordnung 400 über die Länge eines oder mehrerer benachbarter Sammelkanäle 208 hinweg erstrecken kann.
In den 3 und 4 ist gezeigt, dass die Anordnung 400 eine Trennwand 402 aufweist, wobei in der ersten Anordnung 300 eine solche Wand fehlt. Sowohl bei der ersten als auch der zweiten Anordnung 300, 400 kann ein in die Arrays 100 eingegebenes Probenfluid zu einem oder mehreren Sammelkanälen 208 hin gelenkt werden (die z.B. der ersten Anordnung 300 und/oder der zweiten Anordnung 400 benachbart angeordnet sind). Ferner können die Arrays 100 aufweisen: eine oder mehrere erste Anordnungen 300, eine oder mehrere zweite Anordnungen 400 und/oder eine oder mehrere erste und zweite Anordnungen. Ferner können die erste und/oder die zweite Anordnung dazu dienen, benachbarte Arrays 100 funktionell miteinander zu verbinden. Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung, die die erste und/oder die zweite Anordnung aufweisen, können auf vorteilhafte Weise ein oder mehrere Arrays 100 aufweisen, die eine Puffer- und eine Partikelströmung (z.B. Exosome) gemeinsam nutzen können; dadurch kann die Gestaltungskomplexität der Schicht 200 auf ein Mindestmaß verringert werden.
5 ist ein Schaubild eines Schemas einer Gradientengeometrie 500, die für ein oder mehrere Verdichtungs-Arrays 100 anwendbar ist, die eine oder mehrere Schichten 200 eines Mikrofluid-Chips aufweisen. In 5 ist gezeigt, dass die Geometrien der Arrays 100 (z.B. der Gitterstrukturen 104, der ersten Anordnungen 300, der zweiten Anordnungen 400 und/oder der Sammelkanäle 208) entlang verschiedener Abschnitte des Array 100 variieren können.
Die Arrays 100 können einen ersten Bereich, der durch erste Geometrien gekennzeichnet ist, und/oder einen zweiten Bereich aufweisen, der durch zweite Geometrien gekennzeichnet ist. Zum Beispiel veranschaulicht 5 die Säulenanordnung eines Abschnitts eines Sammelkanals 208, der einen ersten Bereich und/oder einen zweiten Bereich aufweisen kann. Der erste Bereich kann als „Bereich G1“ bezeichnet werden und durch eine erste Säulenlücke gekennzeichnet sein, die mit „G1“ bezeichnet werden kann. Der zweite Bereich kann als „Bereich G2“ bezeichnet werden und durch eine zweite Säulenlücke gekennzeichnet sein, die mit „G2“ bezeichnet werden kann. Die erste (z.B. mit G1 bezeichnete) Säulenlücke kann von der zweiten (z.B. mit G2 bezeichneten) Säulenlücke verschieden sein. Zum Beispiel kann die erste (z.B. mit G1 bezeichnete) Säulenlücke größer als die zweite (z.B. mit G2 bezeichnete) Säulenlücke sein.
Dem Fachmann ist klar, dass in 5 zwar Varianten der Säulenlücken gezeigt sind, das Schema 500 jedoch durch eine beliebige der anderen hierin beschriebenen Geometrien gekennzeichnet sein kann. Zwar wird das Schema 500 oben unter Bezugnahme auf zwei Bereiche beschrieben, jedoch kann das Schema 500 zusätzliche (z.B. drei und/oder mehr) Bereiche aufweisen, um die Wirksamkeit des Array 100 weiter zu steigern. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, bei der die Arrays 100 eine Gradientengeometrie gemäß dem Schema 500 aufweisen, können größere Partikel (z.B. EV) auf vorteilhafte Weise das Array 100 in einen anderen Austrittskanal innerhalb eines aktuellen Sammelkanals 208 verlassen, bevor die Größe der Lücken anschließend verringert wird, was sich insbesondere in Fällen als vorteilhaft herausstellt, in denen Partikel (z.B. EV) mit einem umfangreichen Größenbereich vorliegen, die sich mit einer einzigen Größe der Säulenlücken nicht wirksam trennen lassen, sodass ein Verstopfen verhindert wird.
6 ist ein Schaubild einer Schicht 600 eines Mikrofluid-Chips, der Verdichtungs-Arrays 100 in Verbindung mit NanoDLD-Array-Stufen aufweist. Die Schicht 600 weist ein oder mehrere Verdichtungs-Arrays 100, ein oder mehrere NanoDLD, eine Mehrzahl Einlässe und eine Mehrzahl Auslässe auf. Der Chip kann eine Mehrzahl Schichten 600 aufweisen (wobei z.B. entsprechende Schichten 600 horizontal und/oder vertikal einander oder anderen Chip-Schichten benachbart angeordnet sein können. Fluide können mit gleichmäßiger Geschwindigkeit durch die Schicht 600 fließen, was durch eine externe Antriebskraft unterstützt wird, darunter, ohne darauf beschränkt zu sein: elektroosmotische Strömung, druckinduzierte Strömung, Kapillarströmung eine Kombination derselben und/oder dergleichen.
In 6 sind Probeneinlässe 202 und Puffereinlässe 204 hydraulisch mit Arrays 100 verbunden. Wie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben kann ein Probenfluid von den Probeneinlässen 202 zu den Arrays 100 fließen. Ein Puffer kann auch von den Puffereinlässen 204 zu den Arrays 100 fließen. Während das Probenfluid durch die Arrays 100 fließt, werden Partikel (z.B. Exosome) innerhalb des Probenfluids zu einer Sammelwand 602 der Arrays 100 hin versetzt. Versetzte Partikel innerhalb des Probenfluids sammeln sich entlang der Sammelwand 602 an und bilden dadurch eine konzentrierte Probenströmung, die entlang der Sammelwand 602 zu einem oder mehreren ersten Einlassbussen 604 hin fließen. Die Pufferlösung kann entlang der Sammelwand 602 auch durch das Array 100 zu den ersten Einlassbussen 604 hin fließen; sodass die zu versetzenden Partikel in die Pufferlösung versetzt werden, um eine konzentrierte Strömung zu bilden. Weiterhin fließen andere Partikel des Probenfluids, die durch die Arrays 100 nicht versetzt werden (z.B. Rückstände und/oder andere Verunreinigungen des Probenfluids) durch die Arrays 100 zu einem oder mehreren Rückstandsbussen 601 hin, die das Fluid zu einem Rückstandsauslass 210 hin leiten (der z.B. hydraulisch mit einem Rückstandsbehälter verbunden ist).
Die ersten Einlassbusse 604 sind hydraulisch mit NanoDLD verbunden. Zum Beispiel sind die ersten Einlassbusse 604 hydraulisch mit einer ersten Stufe 606 von NanoDLS-Arrays verbunden. Während die konzentrierte Strömung von Probenfluid und/oder Pufferlösung von den ersten Einlassbussen 604 und durch die erste Stufe 606 von NanoDLS-Arrays fließt, werden Partikel einer ersten Größe in der Probe versetzt und zu Auslässen befördert, während das restliche Probenfluid zu einem oder mehreren zweiten Einlassbussen 608 hin fließt. Die zweiten Einlassbusse 608 sind hydraulisch mit einer zweiten Stufe 610 von NanoDLS-Arrays verbunden. Somit kann das restliche Probenfluid von den zweiten Einlassbussen 608 in die zweite Stufe 610 von NanoDLS-Arrays fließen. Während das restliche Probenfluid durch die zweite Stufe 610 von NanoDLS-Arrays fließt, werden Partikel einer zweiten Größe versetzt und zu einem oder mehreren anderen Auslässen befördert, während nicht versetzte Partikel des restlichen Probenfluids zu einem oder mehreren Auslassbussen 212 hin fließen. Die Auslassbusse 212 sind hydraulisch mit einem oder mehreren Partikelauslässen 214 verbunden. Somit fließen Partikel des Probenfluids mit einer dritten Größe durch die Auslassbusse 212 zu den Partikelauslässen 214 hin (die z.B. hydraulisch mit einem oder mehreren Partikelbehältern verbunden sind). Zwar sind in 6 zwei Stufen von NanoDLS-Arrays veranschaulicht, jedoch ist die die Architektur der Schicht 600 nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann die Schicht 600 mehr oder weniger als die beiden in 6 gezeigten Stufen aufweisen.
Die Arbeitsweise der Schicht 600 ähnelt der Arbeitsweise der in 2 gezeigten Schicht 200; mittels der Schicht 600 können jedoch ein oder mehrere gereinigte Partikelgruppen (z.B. Exosome) in Anschluss an ein oder mehrere Verdichtungs-Arrays 100 (z.B. durch eine oder mehrere Stufen von NanoDLD-Arrays) in weitere Fraktionen aufgespaltet werden. Ebenso wie im vorhergehenden Fall kann die Probe durch den Probeneinlass zu einem vorgelagerten Filtrierelement nach Wahl verbracht werden. Dabei kann die Probe in ein oder mehrere Verdichtungs-Arrays 100 mit einem Pufferaustausch eingegeben werden. Außerdem können dann gereinigte Partikelgruppen (z.B. Exosome) an einem Auslass des Verdichtungs-Array auf ein Bussystem verteilt werden (das z.B. einen ersten Einlassbus 604, einen zweiten Einlassbus 608 und/oder einen Auslassbus 212 aufweist), das eine oder mehrere Stufen von NanoDLD-Arrays im Multiplexbetrieb versorgen kann, wobei die gereinigten Partikel noch detaillierter nach ihrer Größe fraktioniert werden können. Das Bussystem kann unabhängig definiert und tiefer als die Arrays selbst (z.B. das eine oder die mehreren Verdichtungs-Arrays und/oder die NanoDLS-Arrays) geätzt werden, um eine ordnungsgemäße Verteilung des Fluids sicherzustellen. Das NanoDLD-Element kann eine einzige oder mehrere Fraktionierungsstufen enthalten. Die kleinere Fraktion der Partikelgruppe (z.B. Exosome) kann in die nächste Stufe von NanoDLD-Arrays eingegeben werden, wo die Gruppe mit kleineren Partikeln weiter aufgeteilt werden kann. Bei aufeinander folgenden Stufen von NanoDLD-Arrays können die Lücken nach und nach immer kleiner werden, sodass bei aufeinander folgenden Stufen eine Stufe mehr gemultiplexte Arrays als die jeweils vorhergehende Stufe haben kann, um die Leitwerte der Stufen aufeinander abzustimmen.
Ferner wird zum Abstimmen der Leitwerte in den Rückstandsauslassbus 601 ein Widerstandselement 612 für das Rückstandsmaterial eingefügt, damit es nicht zu einer unerwarteten oder ungleichen Strömungsverteilung über den Arrayausgang hinweg kommt. Das Widerstandselement 612 kann aus schlangenförmigen Kanälen aufgebaut sein und verengte Kanäle oder Merkmale wie Säulen oder Siebe oder andere derartige in der Technik bekannte Mikrofluidmerkmale enthalten.
7 ist ein Schaubild eines Array 700, das die erste Stufe 606 von NanoDLD-Array aufweist.
In 7 ist das Array 700 hydraulisch mit dem ersten Einlassbus 604 und dem zweiten Einlassbus 608 verbunden. Das Fluid kann von dem ersten Einlassbus 604 durch das Array 700 und in den zweiten Einlassbus 608 fließen. Während das Fluid durch das Array 700 fließt, können Partikel einer ersten Größe zu einem Arrayauslass 702 geleitet werden, während Partikel einer zweiten Größe zu dem zweiten Einlassbus 608 fließen können. In 7 stellt ein erster Bereich 704 einen Strömungspfad von Partikeln einer ersten Größe dar, und ein zweiter Bereich 706 stellt einen Strömungspfad von Partikeln einer zweiten Größe dar.
8 ist ein Schaubild eines Array 800, das eine zweite Stufe 608 von NanoDLD-Array aufweist.
In 8 ist das Array 800 hydraulisch mit dem zweiten Einlassbus 608 und dem Auslassbus 212 verbunden. Das Fluid kann von dem zweiten Einlassbus 608 durch das Array 800 in den Auslassbus 212 fließen. Während das Fluid durch das Array 800 fließt, werden Partikel der zweiten Größe zu einem Arrayauslass 802 geleitet, und Partikel der dritten Größe werden zu dem Auslassbus 212 geleitet. In 8 stellt ein dritter Bereich 804 einen Strömungspfad von Partikeln der zweiten Größe dar, und ein vierter Bereich 806 stellt einen Strömungspfad von Partikeln der dritten Größe dar. Die erste Partikelgröße (durch die z.B. Partikel gekennzeichnet ist, die durch einen Arrayauslass 702 austreten können) ist höher als die zweite Partikelgröße (durch die z.B. Partikel gekennzeichnet sind, die durch den Arrayauslass 802 austreten können), und die zweite Partikelgröße ist höher als die dritte Partikelgröße (durch die z.B. Partikel gekennzeichnet sind, die in den Auslassbus 212 fließen können).
9 ist ein Schaubild eines Verteileranschlusses 900, der eine hydraulische Verbindung zwischen der Schicht 600, der Schicht 200 und dem Mikrofluid-Chip herstellt. Der Verteiler 900 weist einen oder mehrere Rückstandsanschlüsse 902, einen oder mehrere Puffereinlassanschlüsse 906, einen oder mehrere Partikelauslassanschlüsse 908, einen oder mehrere erste Partikelbehälter 910 und/oder einen oder mehrere zweite Partikelbehälter 912 auf.
Der Verteileranschluss 900 kann auf einer von der Schicht 600 (oder z.B. der Schicht 200) getrennten Schicht angeordnet sein. Die Rückstandsanschlüsse 902 sind hydraulisch mit den Rückstandsauslässen 210 verbunden und nehmen die Rückstände auf, die die Schicht 600 (und/oder z.B. die Schicht 200) über die Rückstandsauslässe 210 verlassen. Die Probenauslassanschlüsse 904 sind hydraulisch mit den Probeneinlässen 202 verbunden und führen der Schicht 600 (und/oder z.B. der Schicht 200) ein Probenfluid über die Probeneinlässe 202 zu. Die Puffereinlassanschlüsse 906 sind hydraulisch mit den Puffereinlässen 204 verbunden und führen der Schicht 600 (und/oder z.B. der Schicht 200) ein Pufferfluid über die Puffereinlässe 204 zu. Die Partikelauslassanschlüsse 908 sind hydraulisch mit den Partikelauslässen 214 verbunden und nehmen Partikel (z.B. Exosome) auf, die die Schicht 600 (und/oder z.B. die Schicht 200) über die Partikelauslässe 214 verlassen. Die ersten Partikelbehälter 910 sind hydraulisch mit den Arrayauslässen 702 verbunden und nehmen Partikel einer ersten Größe auf, die die Schicht 600 über die Arrayauslässe 702 verlassen. Die zweiten Partikelbehälter 912 sind hydraulisch mit den Arrayauslässen 802 verbunden und nehmen Partikel einer zweiten Größe auf, die die Schicht 600 über die Arrayauslässe 802 verlassen. Der Verteiler 900 kann ferner O-Ringe (z.B. einen oder mehrere Dichtungsringe und/oder dergleichen) zum Vorsehen von Dichtungen zwischen der Schicht 600 (und/oder z.B. der Schicht 200) und dem Verteiler 900 oder zum Haltern der Schicht 600 (und/oder z.B. der Schicht 200) aufweisen.
10 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Reinigen und/oder Fraktionieren eines Probenfluids mittels eines Mikrofluid-Chips, der ein oder mehrere Verdichtungs-Array 100 zum Umsetzen der Erfindung aufweist.
Das Verfahren 1000 weist in Schritt 1002 Aufnehmen einer Pufferlösung und einer Probenlösung in einen Mikrofluid-Chip auf, der ein Verdichtungs-Array 100, einen Einlass (z.B. einen Probeneinlass 202, einen Puffereinlass 204 und/oder einen Einlassbus 206) und einen Auslass (z.B. einen Rückstandsauslass 210, einen Auslassbus 212 und/oder einen Partikelauslass 214) aufweist, wobei die Probenlösung eine Probe und Rückstände aufweist und wobei die Pufferlösung und die Probenlösung mit einer Geschwindigkeit von mehr als ungefähr 1,0 Nanoliter pro Stunde durch das Array 100 fließen. Die Pufferlösung und die Probenlösung können mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 1,0 nl/h oder mehr und ungefähr 5 ml/h oder weniger durch das Verdichtungs-Array 100 fließen.
Das Verfahren 1000 weist in Schritt 1004 Versetzen einer Probe aus der Probenlösung durch das Array 100 in einer seitlichen Richtung zu einer Seitenwand des Chips auf. Die Probe kann in die Pufferlösung versetzt werden. Das Verfahren 1000 weist in Schritt 1006 Sammeln der Probe über den Auslass getrennt von den Rückständen auf.
Das Verfahren 1000 kann ferner vorheriges Filtrieren und/oder Verdünnen der Probenlösung und/oder vorheriges Befeuchten des Mikrofluid-Chips mit fäulnisverhindernden chemischen Mitteln aufweisen, darunter, ohne darauf beschränkt zu sein: Puffer zum Verändern des pH-Wertes und der Ionenstärke, oberflächenaktive Mittel und/oder biologische Beschichtungsmittel wie Rinderserumalbumin („BSA“).
Unter dem Begriff „oder“ soll kein exklusives „oder“, sondern ein inklusives „oder“ verstanden werden. Das heißt, sofern nicht anderes erwähnt wird oder aus dem Zusammenhang hervorgeht, unter „X verwendet A oder B“ soll jede der natürlichen inklusiven Permutationen verstanden werden. Das heißt, wenn A durch X verwendet wird; wenn B durch X verwendet wird; oder wenn sowohl A als auch B durch X verwendet werden, ist die Aussage „X verwendet A oder B“ in allen vorhergehenden Fällen erfüllt. Außerdem soll unter den in der vorliegenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen verwendeten Artikeln „ein“ und „eine“ allgemein „eins oder mehrere“ verstanden werden, sofern nicht anderes erwähnt wird oder aus dem Zusammenhang eine Einzahlform hervorgeht. Die Begriffe „Beispiel“ und/oder „beispielhaft“ werden hierin in dem Sinne verwendet, dass sie als Beispiel, Einzelfall oder Veranschaulichung dienen. Es sollte klar sein, dass die hierin offenbarte Erfindung nicht auf solche Beispiele beschränkt ist. Außerdem soll keiner der hierin als „Beispiel“ und/oder „beispielhaft“ beschriebene Aspekt oder das Schema als gegenüber anderen Aspekten oder Entwürfen bevorzugt oder vorteilhaft verstanden werden, ferner sollten dem Fachmann bekannte gleichwertige beispielhafte Strukturen und Techniken nicht außer Acht gelassen werden.
Die obige Beschreibung enthält lediglich Beispiele von Systemen und Verfahren. Es ist natürlich nicht möglich, jede denkbare Kombination von Komponenten und Verfahren darzulegen, um die Erfindung zu beschreiben, jedoch ist dem Fachmann klar, dass viele weitere Kombinationen und Permutationen möglich sind. Sofern außerdem in der detaillierten Beschreibung, den Ansprüchen, Anlagen und Zeichnungen die Begriffe „enthält“, „hat“, „besitzt“ und dergleichen verwendet werden, sind solche Begriffe ähnlich wie der Begriff „aufweisend“ auszulegen, wenn dieser in einem Anspruch als Verknüpfungswort verwendet wird. Die Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung sind nur zur Veranschaulichung vorgelegt worden, erheben jedoch nicht den Anspruch auf Vollständigkeit oder Beschränkung auf die Ausführungsformen der offenbarten Erfindung. Dem Fachmann sind viele Modifikationen und Varianten offensichtlich, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Die hierin verwendeten Begriffe wurden gewählt, um die Grundgedanken der Ausführungsformen der Erfindung und die praktische Anwendung oder technische Verbesserung gegenüber handelsüblichen Technologien bestmöglich zu erläutern oder anderen Fachleuten das Verständnis der Ausführungsformen der hierin offenbarten Erfindung zu ermöglichen.

Claims

Vorrichtung, die aufweist: eine Schicht eines Mikrofluid-Chips, wobei die Schicht einen Einlass, einen Auslass und ein hydraulisch mit dem Einlass und dem Auslass verbundenes Verdichtungs-Array aufweist, wobei das Verdichtungs-Array eine Durchsatzgeschwindigkeit von 1,0 Nanoliter pro Stunde oder mehr hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Einlass der Schicht ein Fluid aufnimmt, der Auslass der Schicht eine gereinigte Version des Fluids ausgibt und das Verdichtungs-Array eine Mehrzahl Säulen aufweist, die in einer Mehrzahl Spalten angeordnet ist, wobei eine Säulenlücke so bemessen ist, dass eine Durchflussgeschwindigkeit des Fluids von 1,0 Nanoliter pro Stunde oder mehr ermöglicht wird, und zwischen einer ersten Säule aus der Mehrzahl Säulen in einer ersten Spalte aus der Mehrzahl Spalten und einer zweiten Säule aus der Mehrzahl Säulen in der ersten Spalte angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei es sich bei dem Mikrofluid-Chip um einen Lab-on-Chip zum Reinigen eines biologischen Probenfluids handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Vorrichtung eine tragbare Einheit und/oder ein tragbares Reinigungssystem aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Schicht ferner ein deterministisches nanoskaliges Array für seitlichen Versatz aufweist, wobei das deterministische nanoskalige Array für seitlichen Versatz mit dem Verdichtungs-Array verbunden ist und wobei durch das deterministische nanoskalige Array für seitlichen Versatz Teilchen des Fluids voneinander getrennt werden, das in dem Verdichtungs-Array gereinigt wurde.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Vorrichtung ferner einen mit dem Einlass gekoppelten und hydraulisch mit diesem verbundenen ersten Behälter und einen mit dem Auslass gekoppelten und hydraulisch mit diesem verbundenen zweiten Behälter aufweist, wobei der erste Behälter ein Fluid aufnimmt, das durch das Verdichtungs-Array gereinigt wird, und wobei der zweite Behälter die gereinigte Version des Fluids aufnimmt, das durch den Auslass ausgegeben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei durch die Mehrzahl Säulen ein Gitter definiert ist, das ein durch das Verdichtungs-Array fließendes Fluid zu einer Sammelwand hin versetzt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Einlass hydraulisch mit einem Einlassbus verbunden ist, wobei der Einlassbus hydraulisch mit dem Sammelkanal verbunden ist, wobei der Sammelkanal hydraulisch mit einem Auslassbus verbunden ist und wobei der Auslassbus hydraulisch mit dem Auslass verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei durch die Mehrzahl Säulen ein Gitter definiert ist, wobei ein Gitterverhältnis kleiner als oder gleich einem ersten definierten Wert ist, wobei das Gitterverhältnis durch Dx/Dy gekennzeichnet ist, wobei mit Dx ein erster Abstand durch ein Gitter in einer ersten Richtung bezeichnet wird und wobei mit Dy ein zweiter Abstand durch das Gitter in einer zweiten Richtung bezeichnet wird und wobei die erste Richtung senkrecht zu der zweiten Richtung steht.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei ein zweites Verhältnis größer als ein zweiter definierter Wert ist, der durch D₀/D_y gekennzeichnet ist, wobei mit D₀ ein Durchmesser der Mehrzahl Säulen bezeichnet wird.
Verfahren, das aufweist: Aufnehmen einer Pufferlösung und einer Probenlösung in einen Mikrofluid-Chip, der ein Verdichtungs-Array, einen Einlass und einen Auslass aufweist, wobei die Probenlösung eine Probe und Rückstände aufweist, wobei die Pufferlösung und die Probenlösung mit einer Geschwindigkeit von mehr als ungefähr 1,0 Nanoliter pro Stunde durch das Verdichtungs-Array fließen; Versetzen der Probe aus der Probenlösung durch das Verdichtungs-Array in einer seitlichen Richtung zu einer Seitenwand des Mikrofluid-Chips hin, wobei die Probe in die Pufferlösung versetzt wird; und Sammeln der Probe durch den Auslass getrennt von den Rückständen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Verdichtungs-Array aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus einem mikroskaligen Verdichtungs-Array und einem mesoskaligen Verdichtungs-Array besteht.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Verdichtungs-Array eine Mehrzahl Säulen aufweist, durch die ein Gitter definiert ist, wobei ein erstes Verhältnis kleiner als oder gleich einem ersten definierten Wert ist und durch D_x/D_y gekennzeichnet ist, wobei mit D_x ein erster Abstand durch das Gitter in einer ersten Richtung bezeichnet wird, wobei mit D_y ein zweiter Abstand durch das Gitter in einer zweiten Richtung bezeichnet wird, wobei die erste Richtung senkrecht zu der zweiten Richtung steht, wobei ein zweites Verhältnis größer als ein zweiter definierter Wert ist, der durch D₀/D_y gekennzeichnet ist, und wobei mit D₀ ein Durchmesser der Mehrzahl Säulen bezeichnet ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der erste definierte Wert gleich 1,0 ist und wobei der zweite definierte Wert gleich 0,5 ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Aufnehmen der Pufferlösung und der Probenlösung in den Mikrofluid-Chip druckinduziert ist.
Verfahren nach Anspruch 15, das weiterhin ein Fraktionieren der Probe mittels eines deterministischen nanoskaligen Array für seitlichen Versatz aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Verdichtungs-Array eine Mehrzahl Säulen aufweist, die in einer Mehrzahl Spalten angeordnet ist, wobei eine Säulenlücke 0,5 Mikrometer oder größer ist und zwischen einer ersten Säule aus der Mehrzahl Säulen in einer ersten Spalte aus der Mehrzahl Spalten und einer zweiten Säule aus der Mehrzahl Säulen in der ersten Spalte angeordnet ist und wobei die erste Säule der zweiten Säule benachbart ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei durch die Mehrzahl Säulen ein Gitter definiert ist, wobei ein erstes Verhältnis gleich einem ersten definierten Wert oder kleiner ist, wobei das erste Verhältnis durch D_x/D_y gekennzeichnet ist, wobei mit D_x ein erster Abstand durch das Gitter in einer ersten Richtung bezeichnet wird, wobei mit D_y ein zweiter Abstand durch das Gitter in einer zweiten Richtung bezeichnet wird, wobei die erste Richtung senkrecht zu der zweiten Richtung steht, wobei ein zweites Verhältnis größer als ein zweiter definierter Wert ist, wobei das zweite Verhältnis durch D₀/D_y gekennzeichnet ist und wobei mit D₀ ein Durchmesser der Mehrzahl Säulen bezeichnet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste definierte Wert gleich 1,0 ist und wobei der zweite definierte Wert gleich 0,5 ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schicht ferner ein deterministisches nanoskaliges Array für seitlichen Versatz aufweist.