DE3853237T2 - Einrichtung zum kontinuierlichen zentrifugieren und verfahren um material mittlerer dichte aus einer suspension direkt abzuziehen. - Google Patents

Einrichtung zum kontinuierlichen zentrifugieren und verfahren um material mittlerer dichte aus einer suspension direkt abzuziehen.

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DE3853237T2
DE3853237T2 DE3853237T DE3853237T DE3853237T2 DE 3853237 T2 DE3853237 T2 DE 3853237T2 DE 3853237 T DE3853237 T DE 3853237T DE 3853237 T DE3853237 T DE 3853237T DE 3853237 T2 DE3853237 T2 DE 3853237T2
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Description

    Hintergrund der Erfindung
  • Die Zentrifugation ist wohlbekannt als eine Technik zum Trennen der Bestandteile einer flüssigen Suspension, in der die Bestandteile geringe Dichteunterschiede haben. Zentrifugiersysteme werden für biomedizinische Anwendungen in großem Umfang angewandt, und eine der wichtigsten Anwendungen betrifft die Fraktionierung der Bestandteile von Blut, das eine empfindliche und komplexe Substanz ist, die suspendiertes Zellmaterial und anderes Material mit relativ geringen Dichteunterschieden trägt. Wenn Blutproben entnommen werden, werden sie häufig unter hohen Zentrifugalkräften getrennt, indem mit extrem hohen Drehgeschwindigkeiten wie etwa 5000 U/min (r.p.m.) und hohen Trennkräften wie etwa 5000 g für 5 bis 10 min geschleudert wird. Das erzeugt in der Probe eine Schichtung der dichtesten roten und weißen Zellsubstanzen relativ zu dem Bestandteil geringster Dichte, nämlich Plasma, mit einer dünnen Schicht (manchmal als "buffy coat" bzw. Leukozytenmanschette bezeichnet) aus Thrombozyten und Leukozyten dazwischen. Spezifische Zelltypen können aus einem zentrifugierten Beutel entnommen werden, indem die getrennten Zonen in Einzelbehälter abgepreßt werden.
  • Die Zentrifugation wird zwar gewöhnlich als diskontinuierlicher Vorgang durchgeführt, es sind aber viele kontinuierliche Zentrifugationssysteme in allgemeinem Gebrauch, obwohl die zur Handhabung von Blut geeigneten Systeme speziell für diesen Zweck ausgebildet sind. Wenn ein Bestandteil mit einer Zwischendichte in einem kontinuierlichen Verfahren extrahiert werden soll, kann eine Sonde oder eine Schneide an der entsprechenden Position zum Trennen einer gewählten Schicht in einer kontinuierlichen Zentrifugationsmaschine verwendet werden. Solche Systeme sind komplex, und zwar besonders dann, wenn die Schicht mit Zwischendichte nur in einem geringen Anteil anwesend ist. Chromatographische Techniken, die Bestandteile nacheinander über die Zeit voneinander trennen, sind ebenfalls bekannt, aber wiederum komplex.
  • Zur Extraktion von Thrombozyten bzw. Blutplättchen aus Vollblut ist vor einiger Zeit ein verbessertes System entwickelt worden, das den Gegenstand von WO-A-86/01426 bildet. Gemäß diesem System und Verfahren wird plättchenreiches Plasma von Blut durch einen ersten Schritt getrennt, bei dem Blut in eine biologisch geschlossene Konstruktion geleitet wird, die einen inneren doppelwandigen Rotor in einem konzentrischen Gehäuse hat. Die bevorzugte Durchflußbahn ist zwischen den Wänden des Rotors im Gegensatz zu der Bahn zwischen der Außenseite des Rotors und dem Gehäuse, so daß eine durch die Zentrifugation bewirkte Schichtung und Trennung von plättchenreichem Plasma in dem Rotor ausgebildet wird Das plättchenreiche Plasma kann dann in einem Rotationsmembransystem auf die gewünschte endgültige Plättchenkonzentration filtriert werden, wobei Plasma als ein Zusatzprodukt gewonnen wird. Größe, Wirkungsgrad und Einfachheit dieses Systems ermöglichen die Herstellung der operativen Teile als billige Einmalteile. Das System ist außerdem im Echtzeitbetrieb während eines Blutspendevorgangs betreibbar, um das abgegebene Plättchenkonzentrat zu extrahieren, während die verbleibenden Blutbestandteile zu einem Patienten oder Spender rückgeleitet werden. Die zu der vorliegenden Erfindung führenden Arbeiten wurden durchgeführt, um wichtige Fortschritte in bezug auf Plättchenkonzentratwerte, Wirkungsgrad und Durchsatz zu erreichen.
  • Der Erhalt von Blutplättchen-Konzentrationen ist ein besonders kritisches Beispiel für das Problem der Extraktion einer Substanz mittlerer Dichte aus leichteren und dichteren Substanzen in einer flüssigen Suspension. Blutplättchen werden für analytische, therapeutische und andere Zwecke eingesetzt Bei heutigen Anwendungen ist es hocherwünscht, plättchenarmes Blut in einen Spender zu reinfundieren, und zwar in einem Vorgang unter Verwendung von Einmal-Trenneinrichtungen und mit einem Minimum an Zeitaufwand. Automatische oder halbautomatische Plättchenpheresesysteme wie etwa das Modell V-50 von Haemonetics Corporation, das I.B.M. 2997, das von Cobe Laboratories vertrieben wird, und das CS3000, das von Fenwal Laboratories vertrieben wird, arbeiten auf diese Weise. Diese Systeme sind jedoch teuer und kompliziert zu betreiben. Da Plasma eine Dichte von 1,0269 hat und Blutplättchen eine Dichte von 1,03 haben (Erythrozyten haben eine Dichte von 1,10), hat die schwierige Fraktionierung bisher die Verwendung von erheblich einfacheren und billigeren Systemen ausgeschlossen. Daher wird die manuelle Plättchenpherese, die seit mehr als 25 Jahren angewandt wird, immer noch angewandt. Dabei wird ein diskontinuierliches Zweistufen-Zentrifugationsverfahren angewandt, das an einzelnen Bluteinheiten wirksam ist, und zwar mit einer ersten niedrigeren Schleudergeschwindigkeit, um plättchenreiches Plasma zu gewinnen, und dann mit einer zweiten höheren Schleudergeschwindigkeit, um die Plättchen zu konzentrieren. Das erfordert nicht nur eine umfangreiche manuelle Handhabung, sondern von einzelnen Spendern erhaltene Mengen müssen vermischt werden, um eine ausreichende Plättchenmenge für eine Plättchentransfusion zu erhalten
  • Humanblut besteht normalerweise aus ca. 50 % Plasma und sehr viel weniger als 1 % Blutplättchen in einer Konzentration von ungefähr 250.000 Plättchen pro Mikroliter Vollblut. Wenn daher Plasma gemeinsam mit im wesentlichen sämtlichen Plättchen von dem Blut getrennt wird, gibt es 500.000 bis 550.000 Plättchen pro Mikroliter Plasma (die "Norm"). Plättchenkonzentrat wird gewöhnlich als ungefähr 1,1 Millionen Plättchen oder mehr pro Mikroliter Plasma aufweisend angesehen. Die Gewinnung von Plasma, das über die Norm hinaus plättchenreich sowie frei von Hämolyse ist, und die Durchführung dieses Vorgangs auf einer kontinuierlichen Basis, die mit Spenderdurchflußraten (typischerweise ca. 50 ml/min) kompatibel ist, ist daher ein sehr erstrebenswertes Ziel. Erythrozyten und etwas Plasma können gleichzeitig zum Spender rückgeleitet werden, während das plättchenreiche Plasma gelagert oder anderweitig für die Plättchentransfusion oder sonstige Zwecke verfügbar gemacht wird. Wenn eine hohe Plättchenkonzentration (z. B. 4.000.000 Plättchen/ml) auf Echtzeitbasis erwünscht ist, dann kann ein In-Line-Rotationsmembranfilter verwendet werden, wie in WO-A-86/01426 beschrieben wird.
  • Ein Einzelschrittverfahren zur Extraktion von plättchenreichem Plasma aus Vollblut löst ein sehr schwieriges Problem, und das Verfahren sollte außerdem zum Einsatz auf anderen Anwendungsgebieten anpaßbar sein, wobei es erwünscht ist, einen Bestandteil oder ein Zielmaterial aus schwereren sowie leichteren Substanzen in einer Suspension selektiv zu extrahieren.
  • Der Oberbegriff des Anspruchs 1 basiert auf WO-A-86/01426, und die kennzeichnenden Merkmale der Erfindung sind im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegeben.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Systeme und Verfahren gemäß der Erfindung bilden eine ursprünglich teilweise oder vollständige Schichtströmung in einer Zentrifugationszone aus, leiten aber dann lokalisiertes Rückvermischen ein, das sich aus der entgegengesetzten Richtung ausbreitet. Die lokalisierten Rückvermischungsbereiche sind kontrolliert und hinsichtlich ihrer Position in der Zentrifugationszone vorhersagbar und bilden die Basis für eine verbesserte Trennung von Bestandteilen. Eine Rückvermischung wird durch Wechselwirkungen erzeugt, die zwischen Fluid in einer inneren Zentrifugationszone innerhalb eines doppelwandigen Rotors und einer äußeren, differentiell bewegten Rezirkulationszone, die die Zentrifugationszone umschließt, etabliert werden. Wenn Blut die zu trennende Fluidsuspension ist, wird plättchenreiches Plasma nach innen durch Öffnungen extrahiert, die an die lokalisierten Rückvermischungsbereiche angrenzen, wohingegen schwerere und leichtere Bestandteile sich nach radial außen durch Blutauslaßöffnungen in dem Rotor bewegen. Das System ist biologisch geschlossen, und wenn Vollblut die Eingangssubstanz ist, wird damit Plasma erhalten, das über die Norm hinaus reich an Plättchen ist, während gleichzeitig der plättchenarme Blutfluß zu einem Spender rückgeleitet wird.
  • Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, daß bei der kontinuierlichen Extraktion von Substanzen Durchflußraten einstellbar sind, um die Bestandteile zu ändern, die die Produktsubstanz geringerer Dichte aus der Vorrichtung bilden. Die Trennung von wenigstens teilweise geschichtetem Material innerhalb der Zentrifugationszone scheint daher an Bereichen stattzufinden, die entweder näher an oder weiter von einer Übergangszone zwischen Material geringer und größerer Dichte liegen. Infolgedessen können, wenn Blut das zu trennende Medium ist, Ausgangsmengen ausschließlich durch die Einstellung von Durchflußraten erhalten werden, die entweder plättchenreiches Plasma maximieren oder einerseits mehr reines Plasma oder andererseits Blutzellbestandteile ergeben.
  • Ein weiteres Merkmal der Erfindung betrifft die Anwendung eines inneren Pumpvorgangs innerhalb der Zentrifugationszone und die interne Rezirkulation von teilweise getrennten Stoffen zurück zu der Zentrifugationszone, so daß eine gesteigerte Ausnutzung des Trennvorgangs stattfindet, während gleichzeitig getrennte Substanzen an verschiedenen Öffnungen abgezogen werden.
  • Bei einem speziellen Beispiel weist die Rotorkonstruktion einen doppelwandigen Körper auf, der einen Zentrifugationsspalt definiert und innerhalb eines Gehäuses rotiert, das über den zur Rezirkulation genutzten kleinen Spalt im Abstand angeordnet ist. Eine Reihe von Öffnungen in der Außenwand des Rotors erzeugen nichttraumatische lokalisierte konvektive Muster oder Schleppströmungen in dem vergleichsweise stationären Vollblut, das in dem Rezirkulationsspalt eingeschlossen ist. Diese Muster laufen den Öffnungen in einer im allgemeinen umfangsmäßigen Richtung nach und erzeugen dynamische Kräfte, die sich durch die Öffnungen in der Außenwand und dann in das geschichtete Material in der Zentrifugationszone zwischen den Rotorwänden fortpflanzen. In der Zentrifugationszone jedoch verlaufen die lokalisierten Rückvermischungsmuster nicht in Umfangsrichtung, sondern im wesentlichen in Axialrichtung entlang dem Rotor, und außerdem breiten sie sich entgegen der Hauptdurchflußrichtung aus. Diese Rückwärtsausbreitung ist hinsichtlich der Länge durch einen engen Dämpfungsspalt in dem Anfangsbereich des Rotors vor der Zentrifugationszone begrenzt. Es wird derzeit nicht vollständig verstanden, und zwar wegen der Schwierigkeit, kleine innere Strömungsverläufe innerhalb der Rotorkonstruktur zu beobachten, ob eine leichtere innere Schicht so vermischt wird, daß ein plättchenreicher Schalen- oder Oberflächeneffekt erhalten wird, oder ob eine andere Erklärung richtig ist. Trotzdem ist erwiesen, daß eine unerwartet hohes Plättchenzahl/Volumeneinheit ohne Erythrozyten, Leukozyten oder Hämolyse in den gewonnenen Plättchen erzielt wird.
  • Gemäß weiteren nützlichen Merkmalen der Erfindung wird die strömende Masse zwischen Einlaß und Auslaß gepumpt. Erhebliche Pumpkräfte werden erzeugt, indem die Blutauslaßöffnungen relativ zu der Mittelachse auf einem größeren Radius als die Bluteinlaßöffnungen vorgesehen sind. Außerdem ist der Abstand zwischen den Doppelwänden des Rotors nicht gleichmäßig, sondern definiert, ausgehend von einem Einlaß am einen Ende, zuerst die als schmalen Spalt ausgebildete Dämpfungszone, dann einen breiteren Zentrifugationsspalt, wobei der Radius seiner äußeren Grenze mit der Bewegung von Substanz vom Einlaßende zum Auslaßende größer wird, und dann eine konvergente Rückmisch- und Auslaßzone. Die Divergenz des Zentrifugationsspalts sorgt für eine differentielle Druck- oder Pumpwirkung zwischen Einlaß und Auslaß.
  • Der Rezirkulationsspalt hat einen viel höheren Durchflußwiderstand als der Zentrifugationsspalt, und zwar aufgrund seiner kleinen Spaltdimension und großen Länge. Der Rezirkulationsfluß ist bei diesem Beispiel so ausgelegt, daß er von der gleichen Größenordnung wie die Eingangsdurchflußrate ist, und ist für Durchsatz und Plättchenkonzentration sehr bedeutsam, weil durch Kreislaufrückführung der Komponenten des Massenstroms Plättchen und Plasma der Entmischungsdynamik in größerem Maß ausgesetzt werden.
  • Auslaßöffnungen in der Außenwand des Rotors führen in den Rezirkulationsspalt und von dort entweder in die Rezirkulationsbahn oder zu der Auslaßöffnung, während in Axialrichtung ausgefluchtete Konzentratöffnungen in der Innenwand des Rotors vorgesehen sind und durch innere Leitungen in dem Rotor zu einer Konzentratöffnung entlang der Mittelachse führen. Anzahl und Größe der Öffnungen in der Außenwand stehen in Beziehung zu der Anzahl, Größe und Position der Öffnungen in der Innenwand des Rotors, wobei die axiale Ausfluchtung beibehalten wird. Der Spalt und die axiale Verlagerung dieser Öffnungen und Durchlässe sind für ein optimiertes Betriebsverhalten ebenfalls von Bedeutung, weil die Rückmischstrukturen sich über die Plasmadurchlässe in der Innenwand erstrecken. Die radiale Dimension des Spalts entlang den Rückmischbereichen ist sowohl konisch verjüngt als auch größenmäßig begrenzt, um Hämolyse zu minimieren, die aus einer zu starken inneren Zirkulation resultieren könnte.
  • Dieses System ist besonders ausgebildet für die Plättchenpherese-Anwendungen in Echtzeit, wobei antikoaguliertes Blut von einem Spender in einen unteren Einlaß zugeführt und entlang einem vertikal angeordneten Rotorsystem gepumpt wird.
  • Ein spezielles Beispiel eines Plättchenpherese-Systems verwendet eine Drehzahl von 2000 bis 3800 U/min, einen Rotoraußendurchmesser von 46 mm (1,8") und hat einen Zentrifugationsspalt, der am unteren Bereich mit einem engen Dämpfungsspalt von 0,13 mm (0,005") beginnt. Der Kern ist verengt, und die Gehäusewand ist nach außen kegelig, so daß der Zentrifugationsspalt entlang seiner Hauptlänge sich von ca. 3,1 bis 3,7 mm (0,125" bis 0,145") verändert, während der Spalt zwischen dem Rotor und dem Gehäuse eine Dimension von ungefähr 0,15 mm (0,006") hat. Bei einem Bluteinlaßdurchfluß von ungefähr 50 ml/min hat man ein solches Innenvolumen, daß die mittlere Verweilzeit länger als 30 s ist. Bei dieser Konfiguration liegen in der äußeren Wand vorgesehene Blutauslaßdurchlässe, die 1,6 mm (0,062") breit mal 1,6 mm (0,063") hoch sind, um ungefähr 300 voneinander entfernt, wobei insgesamt zwölf Öffnungen vorgesehen sind. Eine gleiche Anzahl von Plättchenkonzentrat-Auslaßöffnungen in der Innenwand des Rotors sind in Axialrichtung ausgefluchtet, aber um 11,8 mm (0,465") verlagert, und sind 0,9 mm (0,035") breit mal 1,9 mm (0,075") hoch. Der Konizitätsgrad, das innere Bluteinschlußvolumen, die Größen und die relativen Positionen der Öffnungen werden sämtlich genutzt, um eine überlegene Kombination aus Durchflußrate und Wirkungsgrad zu erzielen. Die Gesamtdurchflußrate für einen speziellen Zweck oder zur allgemeinen Anwendung kann geändert werden, indem ein geeigneter Formfaktor für Dimensionen und Volumina angewandt wird, während gleichzeitig die Spalte mit ungefähr der gleichen Größe beibehalten werden.
  • Kurze Erläuterung der Zeichnungen
  • Die Erfindung ergibt sich im einzelnen unter Bezugnahme auf die nachstehende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen; die Zeichnungen zeigen in:
  • Fig. 1 eine teilweise weggebrochene Perspektivansicht eines Einmal-Plättchenseparators;
  • Fig. 2 eine seitliche Schnittansicht des Separators von Fig. 1;
  • Fig. 3 eine Kombination aus Blockdiagramm und vereinfachter Perspektivansicht eines Systems zur Plättchenpherese gemäß der Erfindung;
  • Fig. 4 eine vergrößerte teilweise Schnittansicht eines Bereichs des Einlaßendes des Separators der Fig. 1 und 2;
  • Fig. 5 eine teilweise weggebrochene Teilperspektivansicht eines Bereichs des Auslaßendes des Separators von Fig. 1;
  • Fig. 6 eine Unteransicht des oberen Bereichs der Rotorkernkonstruktion; und
  • Fig. 7 eine seitliche Schnittansicht des oberen Kernbereichs des Rotors entlang der Linie 7-7 in Fig. 6, gesehen in der Richtung der eingefügten Pfeile.
  • Genaue Beschreibung der Erfindung
  • Das System und die Vorrichtung der Fig. 1 bis 7, auf die nachstehend Bezug genommen wird, sind mit den vielen Schwierigkeiten konfrontiert, die sich aus dem Ziel der Extraktion von Plättchenkonzentrat direkt aus Vollblut einstellen. Dies ist nur ein Beispiel des Problems der Erzielung einer Konzentration einer mittleren Dichte oder eines Zielbestandteils aus sowohl schwereren wie auch leichteren Bestandteilen in einem homogenen Durchfluß. Ungewöhnlich schwerwiegende Probleme, die diesem Ziel bei Anwendung auf die Plättchenpherese innewohnen, ergeben sich aus Faktoren wie dem viskosen Charakter von Blut, der Bruchempfindlichkeit seiner Zellbestandteile, dem sehr niedrigen Plättchenprozentsatz in Vollblut, dem geringen Dichtedifferential zwischen Plasma, Plättchen, Erythrozyten und Leukozyten sowie dem erwünschten Vorteil der Rückführung aller brauchbaren Blutbestandteile zu dem Spender, und zwar im wesentlichen gleichzeitig mit der Trennung und innerhalb einer annehmbaren Zeit. Außerdem besteht ein Bedarf, diese Funktionen mit einer billigen, zum Einmalgebrauch geeigneten, leicht installierbaren, einfach betreibbaren und biologisch geschlossenen Vorrichtung durchzuführen, die ungeachtet von Abweichungen des Bluts von verschiedenen Spendern wirkungsvoll ist. Alle diese erwünschten Eigenschaften werden von Einrichtungen und Systemen gemäß der Erfindung erreicht.
  • Die Einmal-Trennvorrichtung 10 ist in den verschiedenen Ansichten der Fig. 1, 2 und 4 bis 7 gezeigt, während die Hauptelemente eines kompletten Trennsystems in Fig. 3 gezeigt sind. Das System wird zuerst allgemein beschrieben, um den Zusammenhang und die spezifische Anwendung aufzuzeigen.
  • Gemäß Fig. 3 hat die Bluttrennvorrichtung 10 ein Gehäuse 11, das zwischen einen unteren Halter 12 und einen davon beabstandeten magnetischen Antrieb 14 einsetzbar ist, der an einer Bedienungsplatte 15 angebracht ist. Die magnetische Antriebseinrichtung 14 nimmt das obere Ende der Trennvorrichtung 10 auf und dreht ihren inneren Mechanismus durch Ankoppeln eines magnetischen Drehfeldes an ein inneres magnetisches Element, wie nachstehend im einzelnen beschrieben wird. Von einem Spender durch eine Einzelnadel 16 erhaltenes Vollblut (alternativ kann ein Doppelnadelsystem verwendet werden) wird mit Antikoagulans von einer Quelle 18 durch eine Pumpe 19 antikoaguliert. Diese Pumpe und weitere Pumpen im System sind bevorzugt vom peristaltischen Typ. Das antikoagulierte Blut wird dann von einer umsteuerbaren Blutpumpe 20 in einen Einlaß der Trennvorrichtung 10 gefördert, um einen Druck von ca. 2,62 bis 2,76 MPa (380 bis 400 mmHg) auszubilden, um die Schwerkraft und Druckabfälle in der Vorrichtung zu überwinden. Die rotierende Trennvorrichtung 10 empfängt das Blut an einem unteren tangentialen Einlaß 21 in das Gehäuse 11 und leitet plättchenreiches Plasma durch einen koaxialen Auslaß 22 aus, während gleichzeitig plättchenarmes Blut an einem oberen tangentialen Auslaß 24 austritt. Das plättchenreiche Plasma hat ungefähr Umgebungsdruck und wird mittels Schwerkraft durch einen flexiblen Schlauch abwärts zu einem Plättchenreservoir 23 geleiteet. Auf dieser Bahn durchläuft das abfließende plättchenreiche Plasma einen Hämoglobindetektor 25 und eine flexible Bypassleitung 26. Die Bypassleitung 26 und der Ausflußschlauch können jeweils selektiv von einer auf ein Signal ansprechenden Klemme 27 bzw. 28 verschlossen werden. Die Blutmenge aus dem Auslaß 24 hat einen hohen positiven Druck von typischerweise 2,1 bis 2,76 MPa (300 bis 400 mmHg) und wird in eine Seite eines Reservoirs 30 durch eine steuerbare Pumpe 29 gefördert, die normalerweise nur einen ausreichenden differentiellen Ausgangsdruck an das Reservoir (ca. 69 bis 138 kPA (10 bis 20 mmHg)) liefert, um eine konstante gewählte Durchflußrate aufrechtzuerhalten. Aus dem Blutreservoir 30 wird plättchenarmes Blut von der Blutpumpe 20 zu der Einzelnadel 16 überführt, und zwar in zeitlich gesteuerten Phasen, die von den Entnahmephasen getrennt sind.
  • Die Beibehaltung eines positiven Drucks auf das Blut ist theoretisch insofern nicht notwendig, als differentielle Drücke die Durchflußraten ausbilden und das plättchenreiche Plasma unter negativem Druck herausgepumpt werden könnte. In der Praxis kann jedoch ein erheblicher negativer Druck zu beginnender Verdunstung führen, und das sollte vermieden werden.
  • Da mit Rücksicht auf den Spender der Einzelnadelbetrieb im allgemeinen bevorzugt wird, wird Blut in alternierenden Phasen entnommen und rückgeleitet, wobei das Reservoir 30 als Puffer für diesen Zweck dient. Bei einem Reservoir ausreichender Größe braucht nur ein vollständiger Zyklus abzulaufen, obwohl im allgemeinen mehrere Zyklen angewandt werden, um die Gesamtmenge von Vollblut, die dem Spender jeweils entnommen wird, zu begrenzen. Um den Einsatz einer einzigen Blutpumpe 20 zu ermöglichen, werden signalbetätigte Klemmen 32 und 34 an der Einlaß- bzw. der Rückleitung verwendet, um diese Leitungen zu öffnen und zu schließen.
  • Jede einer Vielzahl von anderen Systemkonfigurationen kann angewandt werden. Beispielsweise könnte mit einer Einzelnadel ein Doppelkammerreservoir verwendet werden, und plättchenarmes Blut könnte aus dem ersten Reservoir mit einer konstanten Rate in das zweite gepumpt werden.
  • Eine herkömmliche Form von Steuersystem 36 ist mit den verschiedenen Pumpensensoren und Klemmen im System verbunden, um Betriebszustände zu erfassen und Durchflußraten, -bahnen und -dauern zu regeln sowie Anzeigen für den stabilen Zustand und einen Alarmzustand zu liefern. Insoweit diese Funktionen heute an einer Reihe von bekannten Hämapheresesystemen vorgesehen sind, die einem Spender Blut entnehmen und es reinfundieren, sind die meisten dieser Funktionen der Einfachheit und Kürze halber weder gezeigt noch im einzelnen beschrieben. Eine manuelle Einstellung der verschiedenen Einrichtungen ist zwar praktikabel, wird aber für den allgemeinen Gebrauch nicht bevorzugt. Einmalschläuche werden verwendet, um Fluide innerhalb dieses Systems zu überführen, und zwar gemeinsam mit Einmalreservoiren 28, 30 und der Einmaltrennvorrichtung 10, so daß keine Kreuzkontaminierung zwischen Patienten stattfinden kann. Die Klemmen 32 und 34 in den Leitungen zu der Nadel 16 werden von dem Steuersystem 36 betätigt ebenso wie die Klemmen 27, 28 in der Ausflußleitung für plättchenreiches Plasma. Wenn der Detktor 25 in der Auslaßleitung ein Überschreiten eines vorbestimmten Hämoglobinpegels erfaßt, wird die Bypassleitung 26 durch Lösen der Klemme 27 geöffnet, und die Hauptleitung wird von der Klemme 28 geschlossen. Die Durchflußbedingungen können dann eingestellt werden, bis erneut plättchenreiches Plasma fließt, und zu diesem Zeitpunkt werden die Klemmen 27, 28 von einem Bediener oder von dem Steuersystem 36 rückgestellt. Das Steuersystem 36 bestimmt außerdem die Arbeitsrichtung der Pumpe 20, um Blut aus dem Blutreservoir 30 zur Reinfusion in den Spender durch die Nadel 16 rückzuleiten. Zum Reinfundieren von plättchenarmem Blut in den Spender wird die Pumpe 20 in der richtigen Richtung gedreht, und die Klemme 34 der Rücklaufleitung wird geöffnet, während gleichzeitig die Klemme 32 der Einlaßleitung geschlossen wird. Dieser Vorgang wird durchgeführt, nachdem sich eine ausreichende Menge von plättchenreichem Plasmakonzentrat angesammelt hat oder wenn der Inhalt des Reservoirs 23 einen vorbestimmten Pegel oder eine vorbestimmte Masse erreicht. Einrichtungen zum Erfassen der Menge in dem Blutreservoir 30 und in dem Reservoir 23 für plättchenreiches Plasma sind der Einfachheit halber weggelassen.
  • Die Trennvorrichtung 10, die im einzelnen in den Fig. 1, 2 und 4 bis 7 gezeigt ist, auf die nunmehr speziell Bezug genommen wird, stützt das zylindrische Gehäuse 11 auf einer allgemein vertikalen Achse ab. Daher ist die Vollbluteinlaßöffnung 21 in das Gehäuse 11 tangential nahe dem Unterende des Gehäuses positioniert, da durch sie Blut vom Spender eingeführt wird. Ein innerer doppelwandiger Rotor 42 ist in dem Gehäuse 11 drehbar angeordnet und mit der Mittelachse der Trenneinrichtung 10, die typischerweise vertikal ist, konzentrisch. Eine Gruppe von magnetischen Elementen 44, 45, 46 ist in dem oberen Ende des Rotors 42 angeordnet und damit gekoppelt und innerhalb der magnetischen Antriebseinrichtung 14 positioniert, wenn die Trenneinrichtung 10 in der Betriebsposition angebracht ist. Ein magnetisches Drehfeld in der Antriebseinrichtung 14 ist mit dem Rotor gekoppelt, um eine gewünschte Drehzahl im Bereich von 2000 bis 3800 U/min und im vorliegenden Fall 3600 U/min auszubilden. Die entgegengesetzten Enden des Rotors 42 sind mit reibungsarmen Halterungen in Eingriff, die einen oberen Drehzapfen 48 und einen unteren, hohlen Drehzapfen 50 aufweisen, die in entgegengesetzten Enden des Gehäuses 11 aufgenmmen sind (siehe insbesondere Fig. 2). Angrenzend an das obere Ende des Gehäuses 11 liefert die tangentiale Blutauslaßöffnung 24 plättchenarmes Blut durch die Pumpe 26 zu dem Blutreservoir 30, während der koaxiale Plättchenkonzentratauslaß 22 am Unterende des Gehäuses 11 Material, das durch die zentrale Bohrung in dem unteren Drehzapfen 50 geleitet wird, durch die Schwerkraft in das Plättchenreservoir 23 fördert. Unter zusätzlicher Bezugnahme auf die in den Fig. 4 und 5 gezeigten Einzelheiten ist die innere Ausbildung der Trenneinrichtung 10 von erheblicher Bedeutung für die auszuführenden Funktionen. Der doppelwandige Rotor 24 erstreckt sich über die axiale Länge zwischen der Bluteinlaß- und der Blutauslaßöffnung 21 bzw. 24 und hat in diesem Bereich allgemein zylindrische äußere Gestalt. Er umfaßt eine innere zylindrische Wand oder einen Kern 52 mit veränderlichem Profil, das eine im wesentlichen kontinuierliche Oberfläche hat mit Ausnahme von auf dem Umfang angeordneten Plättchenkonzentratöffnungen 58 nahe seinem oberen Ende. An seinem unteren Ende hat der Rotorkern 52 einen geraden Dämpfungswandabschnitt 54 mit einem Durchmesser von 4,15 cm (1,634") und einer Länge von 0,64 cm (0,25") angrenzend an einen nach innen verjüngten Abschnitt 55, der zu einem geraden Hauptwandabschnitt 56 mit einem Durchmesser von 3,53 cm (1,390") und einer Länge von 9,04 cm (3,560") führt. Zwölf gleichbeabstandete Durchlässe 58 für plättchenreiches Plasma, die Viereckgestalt haben, sind 0,9 mm (0,035") breit mal 1,9 mm (0,075") hoch und führen an dem Oberende der Wand 56 nach radial innen. An einem oberen Abschnitt 60 des Kerns 52 oberhalb der Durchlässe 58 weist der Rotorkern 52 eine nach außen konische oder divergente Wand 61 auf, die zu einer Umfangslippe 62 führt. Diese divergente Wand 61 und die darunter befindliche gerade Wand 56 definieren eine Zentrifugationszone 65 innerhalb der Außenwand des Rotors 42.
  • Zur vorteilhaften Herstellung im kostengünstigen Preßformverfahren ist der Rotorkern 52 aus zwei Teilen hergestellt, die an der Ebene miteinander verbunden sind, die den unteren Rand der Plättchenkonzentratöffnungen 58 schneidet. Dieser obere Abschnitt 60 ist am besten in den Ansichten der Fig. 6 und 7 zu sehen.
  • Wie die Ansichten der Fig. 2 und 6 am besten zeigen, weist der gesonderte obere Abschnitt 60 radiale Kanäle 67 auf, die von den Plättchenkonzentratöffnungen 58 nach innen in einen zentralen Verteilerbereich 68 führen, der über ein zentrales Hohlrohr 69 mit dem koaxialen Plättchenkonzentratauslaß 22 durch den unteren hohlen Drehzapfen 50 in Verbindung ist. Der obere Abschnitt 60 des Rotorkerns 52 weist eine Wand 70 mit kleinerem Durchmesser auf, die engpassend in einem durchmesserverringerten Oberende des Gehäuses 11 sitzt und vertikale innere Vorsprünge 71 aufweist, um die ungefähr sternförmigen magnetischen Elemente 44 bis 46 passend aufzunehmen. Der obere Abschnitt 60 ist mit einer Endkappe 72 abgeschlossen, die eine koaxiale Ausnehmung 73 aufweist, um das untere Ende des oberen Drehzapfens 48 festzulegen. Die Endkappe 72 weist außerdem einen nach unten vorspringenden zentralen Dorn 78 auf, der mit zentralen Öffnungen in den magnetischen Elementen 44 bis 46 in Eingriff gelangt.
  • Eine äußere Wand oder ein Mantel 80 des doppelwandigen Rotors 42 hat einen Außendurchmesser von 4,57 cm (1,799"), ist mit der Umfangslippe 62 in dem oberen Kernabschnitt 60 verbunden und mit der Mittelachse konzentrisch. Die innere Oberfläche des Mantels 80 ist jedoch konisch verjüngt, um in dem Zentrifugationsspalt 65 (in der Aufwärtsdurchflußrichtung) einen konstanten nach außen divergierenden Aspekt in bezug auf den geraden Abschnitt 56 des Kerns 52 zu schaffen. Bei diesem Beispiel ist der Zwischenraum zwischen der Dämpfungswand 54 des Kerns 52 und der Innenwand des Mantels 80 0,013 mm (0,0005"). Der Abstand divergiert dann (unter einem Winkel von ca. 0,5º) in der Zentrifugationszone 65, um den kleinsten Spalt von ungefähr 3,2 mm (0,125") unmittelbar über dem konischen Abschnitt 55 auf ungefähr 3,7 mm (0,145") an dem oberen Ende gegenüber den Plättchenkonzentratöffnungen 58 zu erweitern, und zwar entlang einer Länge von ca. 5,3 cm (2,09"). Die Außen-Konizität des oberen Abschnitts 60 des Rotorkerns 52 verkleinert den Spalt erneut bei Annäherung an die Umfangslippe 62 in der Aufwärtsrichtung. Die Größe der radialen Dimension des Spalts über den Öffnungen 58 wird durch den konvergierenden Abschnitt verringert, um die inneren zirkulatorischen Bewegungen in dem Blut und die Hämolysetendenz in diesem Bereich zu begrenzen. Außerdem bewegen sich in dem Blut etwa vorhandene Blasen mit der Strömung nach oben und auch nach innen, so daß sie aus dem System durch die Plättchenkonzentratöffnungen 58 austreten.
  • Symmetrisch angeordnete Ausschnitte 82 in der Unterseite der Lippe 62 (Fig. 2, 6 und 7) sind Ausschnitten 84 (Fig. 1 und 2) in dem oberen Rand des Mantels 80 zugewandt und diesen benachbart, um Blutauslaßöffnungen 85 für Blut zu bilden, das aus dem Spalt 65 zwischen dem Rotorkern 52 und dem Mantel 80 fließt. Die äußere Oberfläche des Mantels 80 ist von der inneren Oberfläche des Gehäuses 11 durch einen Durchfluß- oder Rezirkulationsspalt 90 getrennt, der hier 0,15 mm (0,006") entlang dem Hauptteil seiner Länge beträgt. Dieser Rezirkulationsdurchflußspalt 90 ist jedoch am unteren und oberen Ende des Mantels 80 an seinen axialen Enden etwas größer ausgebildet, um den Einlaß- bzw. Auslaßdurchfluß an den unteren bzw. oberen Enden aufzunehmen.
  • Der Raum zwischen dem Rotorkern 52 und dem Mantel 80 ist in Verbindung mit einer Serie von sechs gleichbeabstandeten Bluteinlaßöffnungen 92 (5,8 mm mal 1,6 mm (0,228" mal 0,062")) in einer unteren Wand 94 des Mantels 80. Diese Einlaßöffnungen 92 liegen auf einem Radius von 2,0 cm (0,785") von der Mittelachse, wohingegen die Blutauslaßöffnungen auf einem Radius von 2,3 cm (0,889") liegen. Der Unterschied der Radien resultiert in einer wesentlich größeren Geschwindigkeit an den Auslaßöffnungen, was für eine erhebliche Pumpkraft in Äufwärtsrichtung auf das Blut sorgt.
  • Das meiste Blut, das durch die Blutauslaßöffnungen 85 geht, tritt in die Rezirkulationsbahn ein und wird relativ rasch abwärts zum unteren Ende gepumpt, um erneut in die Einlaßöffnungen 92 einzutreten. Bei diesem Beispiel ergeben die relativen Öffnungsgrößen und das Innenvolumen (ca. 30 ml) einen Rezirkulationsdurchfluß, der ungefähr gleich dem Einlaßdurchfluß ist, und eine mittlere Verweildauer in der Größenordnung von 20 s. Insbesondere wird die mittlere Verweildauer von Blut in dieser beispielhaften Trenneinrichtung 10 bestimmt durch das Verhältnis des Innenvolumens von 30 ml zu der Eingangsdurchflußrate (50 ml/min) plus der Rezirkulationsdurchflußrate (50 ml/min) bzw. ist 18 s.
  • Die zum Pumpen des Bluts von dem Auslaßende (oberen Ende) zurück zum Einlaßende (unteren Ende) der Einrichtung 10 verfügbare Antriebskraft ist der Differenzdruck (DP oder P&sub2;-P&sub1;), der aufgebracht wird, weil die Durchflußöffnungen auf verschiedenen Radien liegen, wobei Ro (Auslaß) auf ca. 2,225 cm (1,75") und Ri (Einlaß) auf ca. 2,074 cm (1,1633") liegt. Die Beziehung zwischen der Rotation und den resultierenden Drücken als eine Funktion des Radius kann wie folgt dargestellt werden:
  • 1/2 qx² (Ro² - Ri²) = P&sub2; - P&sub1;
  • mit q = Dichte, und zwar hier ca. 1,06 für Blut mit einem mittleren Hämatokrit zwischen niedrigem (1,04) Eingangs-Hämatokrit und hohem (1,09) Ausgangs- Hämatokrit, und
  • x = 377 rad/s bezogen auf eine Rotation von 3600 U/min
  • Mit diesen Werten wird ein DP (P&sub2; - P&sub1;) von 48087,6 dyn/cm² erhalten, was umgerechnet 248 kPa (0,7 psi oder 36 mmHg) ist. Zum Berechnen des theoretischen Massendurchflusses W pro Zeiteinheit kann man die Formel benutzen, die sich auf den Druckabfall in einem ringförmigen Kanal bezieht und auf Seite 5-25 von Perry, Chemical Engineer's Handbook, 5th Edition, Mcgraw Hill Book Company, New York (1973) angegeben ist, insbesondere
  • D&sub2; = 45,72 mm (1,800" (0,15'))
  • D&sub1; = 45,24 mm (1,783" (0,1486'))
  • Gc = 32,17 (Dimensionskonstante)
  • L = 82,55 mm (3,25" (0,27'))
  • x = 0,04 Poise (2,69 x 10&supmin;³ lb/ft.sec).
  • Das ergibt einen Massendurchfluß W von 1,054 x 10&supmin;³lb/s oder ca. 32 ml/min als theoretischem Wert. Tatsächliche Rezirkulationsdurchflußraten werden jedoch von volumetrischen Beziehungen und den Dimensionen der Eingangs- und Ausgangsöffnungen stark beeinflußt. Die Größenordnung der Durchflußrate wurde bestätigt durch Messung des Druckabfalls durch den ringförmigen Spalt zwischen einem Rotor und einem Gehäuse mit gleichen Dimensionen wie die oben angegebenen, jedoch ohne Zentrifugationsspalt in dem Rotor. Man ließ sowohl Kochsalzlösung als auch Blut mit einem Hämatokrit von 40 durchlaufen, und es wurde gefunden, daß bei einem Durchfluß von 100 ml/min ein Druckabfall von 96175 dyn/cm² (72 mmHg) für Kochsalzlösung sowohl bei 0 als auch bei 3600 U/min erfolgte. Die gleiche Durchflußrate für Blut ergab einen gemessenen Druckabfall von 100182 dyn/cm² (75 mmHg). Unter Nutzung dieser Beziehungen in Verbindung mit dem DP von 48088 dyn/cm² (36 mmHg), wie oben berechnet, ist die Rezirkulationsdurchflußrate in der Einrichtung ca. 50-60 ml/min. Das ist die gleiche Größenordnung wie der oben angegebene berechnete Wert. Bei dem vorliegenden Beispiel, bei dem Blut mit ca. 50 ml/min eingeleitet und plättchenarmes Blut mit 38 ml/min abgezogen wird, ist also die Netto- Rezirkulationsrate ca. 50 ml/min, und der Durchfluß durch den Zentrifugationsspalt ist ca. 100 ml/min. Infolgedessen wird eine Einzelmenge Blut ungefähr zweimal in der Zentrifugationszone verarbeitet, bevor sie aus der Einrichtung austritt.
  • Bei Blut als dem zirkulierenden Medium besteht eine zusätzliche Einschränkung, weil, wie nachstehend angegeben wird, ein zu kleiner Rezirkulationsspalt Hämolyse in dem Blut induziert. Es ist aber ersichtlich, daß die zusätzliche Zentrifugationsdauer und vielleicht der erhöhte Hämatokrit des plättchen- und plasmaarmen Bluts, das rezirkuliert wird, erheblich zu dem Wirkungsgrad der Plättchentrennung beitragen. Die Rezirkulationsfunktion ist durch die Tatsache gekennzeichnet, daß sowohl die Pumpquellen als auch die Rücklaufströme innerhalb des Gehäuses sind, sowie auch durch die Tatsache, daß Produktströme ständig extrahiert werden, nachdem ein Stabilitätszustand erreicht worden ist.
  • Vollblut, das tangential in den Raum zwischen dem Gehäuse 11 und dem Rotor 42 eingeleitet wird, findet daher eine bevorzugte Bahn in die Zentrifugationszone 65, und zwar durch den Raum zwischen der Bodenwand 94 des Rotormantels 80 und der Bodenwand des Gehäuses 11, weiter durch die Bluteinlaßöffnungen 92 und den Spalt zwischen der Wirbeldämpfungswand 55 des Kerns 52 und dem Mantel 80. Die bevorzugte Aufwärtsbahn liegt im wesentlichen vollständig in dem Rotor 42 aufgrund des Pumpeffekts und weil der in dem langen Rezirkulationsspalt 90 bestehende Durchflußwiderstand viel größer als derjenige des Zentrifugationsspalts 65 ist. Die weitere Pumpwirkung, die durch die Divergenz im Zentrifugationsspalt 65 gegeben ist, trägt außerdem zur Ausbildung dieses Durchflusses bei.
  • An dem oberen Ende ist der Blutauslaß 24 aus dem Gehäuse 11 in derselben Horizontalebene wie die Blutabgabeöffnungen 85 in dem Mantel des Rotors 42. Die Blutabgabeöffnungen 85 in dem Rotor 42 liegen in einer Horizontalebene, die um 11,8 mm (0,465") von der Horizontalebene der Plättchenkonzentratöffnungen 58 getrennt ist. Die Anzahl (zwölf) der Blutauslaßöffnungen 85 ist gleich derjenigen der Plättchenkonzentratöffnungen 58, und sie sind relativ zu den Öffnungen 58 in gleichen Positionen auf dem Umfang um jeweils 30º voneinander entfernt. Jede Blutauslaßöffnung 85 ist bei diesem Beispiel 1,60 mm (0,063") breit mal 1,60 mm (0,063") hoch.
  • Wie Fig. 2 am besten zeigt, weist die obere Wand des unteren Abschnitts des Rotorkerns 52 eine nach unten verlaufende zentrale Nabe 96 auf, während die Mantelbodenwand 94 eine nach oben verlaufende zentrale Nabe 97 aufweist. Das zentrale Hohlrohr 69 sitzt mit seinen entgegengesetzten Enden in zentralen Öffnungen in diesen beiden Naben 96, 97. Die untere Nabe 97 ist außerdem ausgebildet, um ein Lager 99 aufzunehmen, das mit dem unteren hohlen Drehzapfen 50 an einer inneren Schulter in Eingriff ist und das Gewicht des Rotors 42 abstützt.
  • Im Betrieb verarbeitet dieses System einen frischen antikoagulierten Blutstrom mit normalem Hämatokrit bei ungefähr 50 ml/min innerhalb von 50-60 min, um ein hohes Volumen an plättchenreichem Plasma zu gewinnen, und zwar mit deutlichen Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik. Die Produktdurchflußrate ändert sich zwar umgekehrt mit dem Hämatokrit, wie zu erwarten ist, aber in 50 bis 60 min des Betriebs bei Eröffnen einer Vene werden bei einem typischen Beispiel mehr als 3 x 10" Plättchen in 500 bis 600 ml plättchenreichem Plasma gewonnen. Das sichert einen Durchfluß von mehr als 600.000 Plättchen pro Mikroliter und ermöglicht die Gewinnung praktisch jedes gewünschten Konzentratwerts durch einen weiteren Membranfiltrationsschritt, wobei Plasma als ein Nebenprodukt gewonnen wird.
  • Diese Ergebnisse werden in einer stabilen, nichtkritischen Betriebsart mit minimaler Hämolyse und minimalem Leukozytenanteil in dem Produkt erreicht. Es sollte jedoch klar sein, das das System auf Strömungsgeometrie und Strömungsdynamik beruht, die einen Komplex von Wechselwirkungen vorteilhaft nutzen, um einen erreichbaren Durchfluß von Trägersubstanz, die reich an dem gewünschten Bestandteil ist, zu erhalten. Vom Konzept her können die Dimensionen und physikalischen Beziehungen für verschiedene Anwendungsfälle weitgehend abgewandelt werden. Für jeden bestimmten Anwendungsfall wird jedoch die optimale Geometrie zur Erzielung einer gegebenen Durchflußrate, Konzentration und eines gegebenen Wirkungsgrads von den relativen Größen von Elementen und Abständen innerhalb der Trenneinrichtungen sowie von den Dichten und Viskositäten der Bestandteile des zugeführten Materials beeinflußt. Aus diesem Grund sind vorstehend verschiedene spezifische Dimensionen und Beziehungen von Abständen zueinander angegeben zum Zweck der speziellen und kritischen Anwendung bei Blut, die als das spezielle Beispiel beschrieben wurde.
  • Eine Einrichtung zur Extraktion von plättchenreichem Plasma aus Vollblut ist durch bestimmte inhärente Forderungen eingeschränkt, die die Konstruktion beeinflussen, beispielsweise die Notwendigkeit der Kompatibilität mit Spenderabgaberaten. Die Einrichtung sollte außerdem eine Beschädigung des Fluidsystems vermeiden, eine für den Einmalgebrauch geeignete, billige, sterile Einmaleinrichtung sein, um die Gefahr von Kreuzkontamination zu minimieren, und ein steriles, geschlossenes System darstellen. Diese Faktoren wirken sich nicht nur auf die Größen und die Geometrien aus, sondern beeinflussen auch die Wahl der verwendbaren Werkstoffe.
  • Unter Berücksichtigung dieser Forderungen kann man sagen, daß ein wesentlicher Aspekt der Erfindung die kontinuierliche Bewegung einer zentrifugierten Masse in einer Richtung entlang einer und um eine Zentrifugationsachse und die Ausbreitung lokalisierter Rückmischbewegungen in dieser Strömung in der entgegengesetzten Richtung umfaßt, wobei diese Rückmischbewegungen bevorzugt einen Bestandteil einer ausgewählten mittleren Dichte beeinflussen. Die Trennung wird durch Rezirkulation eines Hauptanteils der zentrifugierten Masse unterstützt, und eine bessere Kontrolle der lokalisierten Bewegungen wird durch Dämpfen der umgekehrten Ausbreitung erreicht.
  • Unter spezieller Bezugnahme auf die Fig. 1, 2 und 4 findet in dem System der Eingangsblutstrom durch den Bluteinlaß 21 in den unteren Bereich des Durchflußspalts 90 zwischen Gehäuse 11 und Rotormantel 80 die bevorzugte Bahn in den Zentrifugationsspalt 65 durch die Bluteinlaßöffnungen 92 in der Bodenwand 94 des Mantels Der von dem relativ langen engen Rezirkulationsspalt 90 gebotene Durchflußwiderstand ist viel größer als derjenige der Bahn durch den Zentrifugationsspalt 65 innerhalb des Rotors 42, und zwar selbst mit dem engen, aber relativ kurzen Wirbeldämpfungsbereich. Eine aufwärts gerichtete Pumpwirkung wird durch den Unterschied der radialen Positionen der Bluteinlaßöffnungen 92 und der Blutauslaßöffnungen 85 relativ zu der Mittelachse eingeführt. Zentrifugalkräfte, die auf das Blut wegen der größeren Radien der Auslaßöffnungen 85 im Gegensatz zu den Einlaßöffnungen 92 wirken, haben die Tendenz, die Blutmasse innerhalb des Zentrifugationsspalts 65 nach oben und in dem Rezirkulationsspalt 90 nach unten zu pressen. Eine aufwärts gerichtete Pumpwirkung wird außerdem durch die konstante Zunahme des sich erweiternden Zentrifugationsspalts 65 unterstützt, während das Blut in Axialrichtung fließt. Wenn der Zentrifugationsspalt 65 gefüllt ist, was innerhalb weniger Sekunden der Fall ist, beginnen sich die Durchflußraten zu stabilisieren, und eine Reihe von verschiedenen Strömungsbeziehungen wird ausgebildet, die den Trennvorgang einleiten, der sich einige Sekunden später vollständig stabilisiert.
  • Im stabilen Betrieb wird der Rotor 42 mit 3600 U/min gedreht, und die auf das Blut in dem Zentrifugationsspalt 65 aufgebrachte Fliehkraft bei einem Außendurchmesser des Rotors von 4,57 cm (1,8") und einer dünnen Mantelwand des Rotors 42 ist ungefähr 330 g. Ein wirbelfreier Durchfluß wird in dem unteren Bereich des Zentrifugationsspalts 65 ausgebildet durch die anfängliche Stabilisierung innerhalb des engen Spalts entlang der Wirbeldämpfungswand 54. Ein relativ wirbelfreier Durchfluß existiert entlang dem Hauptbereich des Zentrifugationsspalts 65 entlang der Länge der geraden Wand 56 und der oberen divergenten Wand 61 des Rotorkerns 52. "Relativ wirbelfreier Durchfluß" bedeutet, daß zwar eine Schichtung oder Schichtbildung eintritt, daß aber die Dynamik des Betriebs auch andere Bewegungen umfaßt, die jedoch für das Blut nichttraumatisch sind. Der Durchfluß erreicht den vollständig stabilen Zustand, nachdem der Zentrifugationsspalt 65 und die Plättchenkonzentratöffnungen 58 gefüllt sind und Blut sich durch die Blutauslaßöffnungen 85 in dem Mantel 80 nach außen bewegt, um den Rezirkulationsspalt 90 zu füllen, wobei es abwärts zum Boden innerhalb des Gehäuses fließt und mit einströmendem Vollblut erneut vermischt wird. Ein stabiler Durchfluß umfaßt außerdem das Ausströmen einer bestimmten Fraktion aus plättchen- und plasmaarmem Blut aus dem oberen Blutauslaß 24, während plättchenreiches Plasma durch die Plättchenkonzentratöffnungen 58 in dem Rotorkern 52 zu dem zentralen Bereich und zu dem koaxialen Auslaß 22 geleitet wird. Die mittlere Verweildauer von ungefähr 20 s in der Trenneinrichtung 10 und der abwärts verlaufende Rezirkulationsfluß sind schätzungsweise ungefähr gleich dem Eingangsdurchfluß zu der Trenneinrichtung. Der typische Zuwachs an Blutmasse wird wenigstens einmal im Kreislauf durch die Trenneinrichtung 10 geführt und hat somit erweiterten Zugang zu der Trenndynamik innerhalb der Einrichtung. Ein erhebliches Maß an Rezirkulation wird angewandt, obwohl Testläufe zeigen, daß mehr als 500 % für Blut zu viel wäre. Wenn sichtbare Blasen in der Rezirkulationseinrichtung eingeschlossen sind, so ist erkennbar, daß sie sehr rasch zum Unterende der Einrichtung zurückkehren, was beweist, daß ein Hauptanteil der Blutmasse rezirkuliert wird. Das Blut in dem Spalt 65 wird ständig vermischt, weil sich in diesem Raum kleine Taylorsche Wirbel ausbilden.
  • Die bevorzugte Plättchentrennung erfolgt aufgrund von Wirkungen und Beziehungen in dem oberen Bereich des Rotors 42. Die relative Bewegung zwischen den Blutauslaßöffnungen 85 in dem Mantel 80 und dem umschließenden bewegten Blut in dem Rezirkulationsspalt 90 induziert eine Reihe von lokalisierten Wirbelschleppen oder Sekundärverläufen, während die Diskontinuitäten am Rand der Öffnungen 85 mit dem in Umfangsrichtung langsamer werdenden Blut, das den Rotor 42 umgibt, in Wechselwirkung gelangen. Hierbei sollte insbesondere auf Fig. 5 Bezug genommen werden. Diese lokalisierten Wirbelschleppen in dem Rezirkulationsspalt 90 laufen jeder Öffnung 85 in Umfangsrichtung nach, während sich der Rotor 42 dreht. Es wird angenommen, daß solche Sekundärverläufe zirkulatorische Beschaffenheit haben, daß sie aber für das Blut nichttraumatisch und nichtzerstörend sind. Sie sind zwar wegen des engen Spalts nur sehr schwer zu untersuchen, aber Lage und Stärke können sehr wohl Taylorsche Wirbel ausbilden, deren Durchmesser dem Spaltabstand entsprechen. Die lokalisierten Wirbelschleppen oder Zirkulationen sind nur als verallgemeinerte Bewegungsverläufe in Fig. 5 gezeigt.
  • Wichtig ist, daß die dynamischen Kräfte dieser äußeren Wirbelschleppen auch systematische Rückmisch- und vielleicht zirkulatorische Effekte in dem Zentrifugationsspalt 65 induzieren, indem sie Druck- und Bewegungsschwankungen zurück durch die Blutauslaßöffnungen 85 übertragen. Innerhalb des Zentrifugationsspalts 65 breitet sich eine Reihe von solchen lokalisierten Rückmischverläufen in Axialrichtung nach unten aus, und zwar entgegen dem relativ nichtturbulenten Aufwärtsdurchfluß von Blut in dem Zentrifugationsspalt 65. Die Gesamtlänge dieser zerstörenden Muster ist in Fig. 5 als an den Plasmakonzentratöffnungen 58 vorbeiverlaufend gezeigt.
  • Betriebsergebnisse und Untersuchungen mit sichtbaren Medien, und zwar sowohl im Betrieb als auch durch Untersuchung von Ablagerungen nach Abschaltung und Demontage, zeigen, daß die axialen zirkulatorischen Muster sich mindestens so weit erstrecken. Manchmal können sie sich nach unten durch nahezu den gesamten Zentrifugationsspalt 65 ausbreiten. Der die Anfangsturbulenz dämpfende Bereich, der durch den engen Spalt gegenüber der Wand 54 gebildet ist, wirkt jedoch der axialen Ausbreitung entgegen und begrenzt ihre Gesamtlänge.
  • Infolgedessen geht die zentrifugale Trennung und Schichtung von Plasma, Plättchen und Erythrozyten, die in dem Hauptdurchflußbereich in dem Zentrifugationsspalt 65 stattfindet, systematisch in lokalisierten Sektoren in andere Strömungsverläufe über. Teilweise oder vollständig geschichtete Lagen von Plasma und Zellmaterial sind ausgebildet, bis die nach oben bewegte zentrifugierte Masse die Plättchenkonzentratöffnungen 58 passiert. Material in der Schichtungszone wird jedoch entlang den in Umfangsrichtung getrennten, axial verlaufenden Bereichen lokal rückvermischt durch die dynamischen Kräfte, die relativ zu der Aufwärtsbewegung der zentrifugierten Masse sich nach rückwärts ausbreiten. Diese Wirkung ist derart, daß an den Öffnungen 58 in dem Rotorkern 52 plättchenreiches Plasma ankommt. Die axialen Rückvermischungsverläufe sind zwar in der Umfangsrichtung unbegrenzt und nicht durch Strukturen physisch eingeengt, sie sind aber trotzdem stabil.
  • Die bevorzugte Trennung wird durch die Rezirkulation von Blut aus dem Inneren des Zentrifugationsspalts 65 zurück nach unten durch den Rezirkulationsspalt 90 erheblich verbessert. Somit befindet sich der größte Teil der Blutmasse in dem Zentrifugationsspalt 65, und die innere Strömung hat eine signifikant höhere Massendurchflußrate als die relativ ausgeglichenen Produktströme. Die innerhalb des Zentrifugationsspalts 65 verteilten momentanen räumlichen Muster sind in Fig. 5 nur als Mutmaßungen dargestellt, und ihre Ausbildung und Aufrechterhaltung werden nachstehend weiter erörtert.
  • Es ist zu beachten, daß die Verläufe in dem Zentrifugationsspalt 65 nicht ohne weiteres zu analysieren sind. Die Ergebnisse des Trennvorgangs werden jedoch hier angegeben, um die Wirksamkeit des Systems zu unterstreichen. Ein Eingangsdurchfluß von 50 ml/min erzeugt einen Plättchenkonzentratstrom an den Plättchenkonzentratöffnungen 58 und damit am Auslaß 22 von ca. 9 bis 12 ml/min. Dieses Plättchenkonzentrat hat ca. 600.000 Plättchen/ul oder mehr praktisch ohne Hämolyse, wobei der Plasmaträger im wesentlichen frei von Leukozyten ist. Das plättchenarme Blut tritt aus dem Blutauslaß 24 mit der differentiellen Rate von ca. 38 bis 41 ml/min aus. Somit kann dem Reservoir 30 zugeführtes plättchenarmes Blut zum richtigen Zeitpunkt durch die zweite Pumpe 20 zu dem Spender rückgeführt werden. Es gibt keine Kontamination von äußeren Quellen, weil sämtliche Auslaßöffnungen fixiert und keine drehenden Dichtungen zur Umgebung offen sind.
  • Plättchenreiches Plasma mit Plättchenkonzentrationen im Bereich von 500.000 pro Mikroliter wird routinemäßig in diskontinuierlichen Schleuderverfahren gemäß dem Stand der Technik erzeugt. Diese haben jedoch die eingangs genannten operativen Nachteile. Es gibt aber mit Ausnahme der eingangs erwähnten Anmeldung von Schoendorfer et al. keine bekannte Technologie zur Erzeugung von Plättchenkonzentrationen, die höher als die angegebenen sind, in einem kontinuierlichen Durchflußbetrieb ohne die Anwendung zusätzlicher Mittel zum Trennen der Plättchen von dem Plasma.
  • Die Anmelderin hat im Verlauf der Analyse der komplexen Strömungsverläufe in der Trenneinrichtung 10 Untersuchungen durchgeführt, um die wichtigsten Geometrien und Beziehungen zu bestimmen. Die Existenz von lokalisierten Konvektions-, Wirbelbildungs- oder Rückmischmustern sowohl außerhalb als auch innerhalb des Zentrifugationsspalts 65 kann in begrenztem Umfang durch ein transparentes Gehäuse 11 nachgewiesen werden, das unter stroboskopischem Licht synchron mit der Rotation des Rotors 42 betrachtet wird. Die Anwesenheit, Position und in gewissem Umfang der Charakter der lokalisierten Konvektionsmuster ist verdeutlicht worden durch Anwendung von handelsüblichen Hilfsmitteln zur Sichtbarmachung des Durchflusses (sichtbare teilchenförmige Stoffe in Suspension). Wenn solche Fluidgemische durch die Trenneinrichtung 10 geschickt werden, bilden sich Ablagerungen an der Innenseite des Gehäuses 11 und an Oberflächen des Rotors 42, an denen die Strömung durch die Fliehkraft gegenüber der Turbulenz dominiert wird. Die bei dem vorliegenden Beispiel beobachteten zurückbleibenden Muster liegen an den inneren Oberflächen des Rotormantels 80. Die beobachteten Muster zeigen eine allgemein axiale (d. h. vertikale) Bewegung in Ausfluchtung mit den einzelnen Blutauslaßöffnungen 85 in dem Mantel 80 und den Plättchenkonzentratöffnungen 58 in dem Kern 52. Es gibt eine leichte Welligkeit entlang der Vertikalrichtung, aber die sekundären Verläufe passieren die Plättchenkonzentratöffnungen 58 in naher Beziehung dazu.
  • Die Existenz von solchen Konvektionsverläufen und Sekundärbewegungen wird durch Videoaufnahmen bestätigt, die unter Beleuchtung mit einem Blitzgerät durch ein transparentes Gehäuse 11 gemacht wurden, wenn sich Suspensionen mit als Sichtbarmachungshilfe dienenden Partikeln in der Trenneinrichtung 10 befinden. Die nach rückwärts (d. h. nach unten) sich ausbreitenden Verläufe in der zentrifugierten Masse sind axial, obwohl eine gewisse zeitlich veränderliche Welligkeit existiert. Bei dem gezeigten Beispiel enden sie vor dem Hälftenbereich der Zentrifugationszone 65.
  • Wie Fig. 5 zeigt, kann man daher mutmaßen, daß sich ein langgestrecktes konvektives Wirbel- oder Drallmuster in dem Zentrifugationsspalt 65 zwischen jeder der Blutauslaßöffnungen 85 und den linear ausgefluchteten Plättchenkonzentratöffnungen 58 erstreckt. Die dynamische Rückmischwirkung, die in jedem derartigen Muster auftritt, ist konsistent, aber komplex. Bei der axialen Trennung von 11,81 mm (0,465") zwischen miteinander ausgefluchteten Paaren dieser Öffnungen ist die induzierte zirkulatorische oder Drallbewegung axial und sehr schmal, wie aus stroboskopischen Untersuchungen und abgelagerten Mustern von Sichthilfesubstanzen hervorgeht. Dann kann sich die zirkulatorische Bewegung etwas ausbreiten und zu einer stärker umfangsmäßigen Richtung umgeleitet werden, und zwar vermutlich durch die Massenaufwärtsbewegung von Blut zwischen Einlaß und Auslaß. Es wird bei einigen Testeinheiten beobachtet, daß die lokalisierten zirkulatorischen konvektiven Muster sich, wenn auch unter Verringerung, weiter nach unten über eine gewisse Strecke (ungefähr 2/3 der Rotorlänge) entgegen dem relativ nichtturbulenten Durchfluß fortsetzen können.
  • Anscheinend gibt es einen Plättchenkonzentrationsgradienten durch jedes dieser lokalisierten Rückmischmuster. Es wird angenommen, daß die Plättchenkonzentration primär Dichteunterschiede widerspiegelt, daß sie aber auch von der Größe und Gestalt der verschiedenen Blutbestandteile beeinflußt wird. Beispielsweise unterscheiden sich Plättchen hinsichtlich ihrer Dichte nur geringfügig von Plasma, haben aber wegen ihrer Größe erheblich verschiedene Widerstands- und Beschleunigungsfaktoren aufgrund der lokalisierten zirkulatorischen Bewegungen gegenüber sowohl Plasma als auch anderen Blutzellen. Kräfte, die in den lokalisierten Mustern nahe den Plättchenkonzentratöffnungen 58 nach radial außen wirken, können dazu tendieren, Plättchen von allen übrigen Zellen auf der Basis der Größe und/oder des Widerstandsprofils weiter zu differenzieren. Entsprechend dieser Hypothese wären die auf Zellmaterial wirkenden Kräfte nahe der inneren Oberfläche des Mantels 80 am größten und nehmen näher an der inneren zylindrischen Wand 56 ab, so daß sie wirksam sind, um Plättchen von schwereren Erythrozyten und Leukozyten zu trennen. Wenn die Bewegungen und Zwischenräume richtig angeordnet sind, können Plättchen als bevorzugt im Plasma nahe den Öffnungen 58 konzentriert angenommen werden.
  • Alternativ kann es sein, daß die lokalisierte Bewegung innerhalb des Zentrifugationsspalts 65 auf das schwerere Zellmaterial an der außenseitigen Wand wirkt, nachdem die Zentrifugation eine gewisse Schichtung erzeugt hat. Sie kann dann zirkulieren und das Zellmaterial bewegen, so daß Plättchen in der radial inneren Plasmaschicht aufgefülltt werden, während die Bestandteile aus den Plättchenkonzentratöffnungen 58 abgezogen werden. Eine Neuzuführung von Plättchen und Plasma würde ebenfalls durch den Rezirkulationsfluß unterstützt werden. In beiden Fällen resultiert die hohe Plättchenkonzentration aus dem nach radial außen gerichteten Verlauf sowohl von etwas Plasma geringerer Dichte als auch Zellmaterial höherer Dichte; dieser Effekt ist vollständig unerwartet.
  • Die Anwesenheit eines deutlichen, wenn nicht diskreten, Übergangs zwischen geschichtetem Zellmaterial und plättchenreichem Plasma wird durch die Anwendung von Betriebsvariablen wie Pumpenraten zum Ändern der Entnahme von Plasma, Plättchen und Zellbestandteilen bestätigt. Indem die Blutauslaßpumpe 29 ursprünglich auf einer Rate gleich derjenigen der Einlaßpumpe 20 gehalten wird, besteht im wesentlichen nur ein gerader Durchfluß aus dem Zentrifugationsspalt 65. Eine Verlangsamung der Auslaßpumpe 29 relativ zu der Einlaßpumpe 20 ermöglicht den Austritt eines differentiellen Stroms aus den Plasmaauslaßöffnungen 58. Der Grad dieser Differenz, der für eine hohe Plättchenextraktion notwendig ist, ändert sich mit verschiedenen Spendern, und zwar hauptsächlich aufgrund von Unterschieden im Hämatokrit. Durch Einstellen der differentiellen Durchflußrate derart, daß sie bei oder nahe einem Maximum liegt, ohne daß Hämoglobin in dem Durchfluß anwesend ist, werden jedoch überlegene Plättchenzahlen erhalten. Man kann das als den Schichtungsübergang zwischen dichterem Zellmaterial an der Außenwand des Zentrifugationsspalts 65 und dem Innenvolumen, in dem die Rückmischung stattfindet, interpretieren. Wenn der nach innen gerichtete Plasmadurchfluß zu groß ist, wird Hämoglobin von der äußeren Schicht des Zellmaterials mit eingetragen. Wenn der nach innen gerichtete Durchfluß zu gering ist, wird Plasma mit geringer Plättchenzahl erhalten. Aber mit dem richtigen Durchfluß wird eine ungewöhnlich hohe Zahl Plättchen nach radial innen transportiert, obwohl die Plättchen eine geringfügig größere Dichte als das Plasma haben.
  • Daher kann das vorliegende System einfach durch den Ausgleich zwischen Durchflüssen die Bestandteile im Ausfluß variieren, um Material einer mittleren Dichte gegenüber sowohl leichterem als auch schwererem Material bevorzugt zu erhalten.
  • Ein praktisches Beispiel einer Abfolge von Durchflußänderungen, die bei der Optimierung von Plättchenzahlen im Plasma aus Vollblut angewandt werden, ist wie folgt Wenn die Einlaßpumpe 20 auf 50 ml/min eingestellt ist, wird die Auslaßpumpe 29 ursprünglich ebenso eingestellt, aber dann verlangsamt, um 33 ml/min zu fördern, so daß 17 ml/min aus der Plasmaleitung austreten, die typischerweise Hämoglobin enthalten, nachdem stabile Bedingungen erreicht worden sind (es kann ein Anfangsreservoir für plättchenreiches Plasma vorhanden sein). Dann wird die Auslaßpumpe 29 auf 40 ml/min erhöht, wodurch der Plasmadurchfluß charakteristisch auf ca. 10 ml/min zurückgestellt wird. Dann kann ein höherer Blutauslaßdurchfluß von beispielsweise 36 ml/min versucht werden, um zu bestimmen, ob Hämoglobin in dem Plasma abwesend ist, usw.
  • Eine Reihe von Faktoren ist bedeutsam in bezug auf jede gegebene Produktkonfiguration beim Erhalt eines maximalen Ertrags, ohne daß Erythrozyten in das Plättchenkonzentrat eingetragen werden. Der Trennprozeß ist zwar stabil, aber eine kurze Zeitdauer von typischerweise etwa 60 Sekunden läuft ab, bevor die Strömungsverhältniss in den stabilen Zustand gebracht werden. Die mittlere Verweildauer von Material in der oben beschriebenen Trenneinrichtung liegt zwar in der Größenordnung von 20 s, aber es wird Zeit benötigt, um den Zentrifugationsspalt 65 zu füllen, und auch zum Pumpen des Vollbluts durch die Blutauslaßöffnungen 85 und durch den engen Rezirkulationsspalt 90 in der Rezirkulationsbahn zum unteren Ende des Rotors 42. Infolge des engen Rezirkulationsspalts und des dementsprechend höheren Durchflußwiderstands gegenüber dem Zentrifugationsspalt ist das Rezirkulationsvolumen nur ein kleiner Anteil des Gesamtdurchflusses. Die Rezirkulationsdurchflußrate ist jedoch ungefähr gleich derjenigen der Eintrittsdurchflußrate und ist sehr nützlich für den Betrieb der Trenneinrichtung im stabilen Zustand. Versuche mit unterschiedlichen Anzahlen und relativen Abständen zwischen Blutauslaßöffnungen haben gezeigt, daß bei dieser Konfiguration zwölf gleichbeabstandete Öffnungen 85 der angegebenen Größe überlegene Resultate erbringen. Die Ausfluchtung der Plättchenkonzentratöffnungen 58 in Axialrichtung mit einem erheblichen axialen Abstand zwischen ihnen ist ebenfalls als den optimalen Resultaten angenähert bestätigt worden. Das ist in Übereinstimmung mit der Vorstellung, daß die lokalisierten Wirbelströmungen in dem Zentrifugationsspalt sich von jeder Blutauslaßöffnung 85 im wesentlichen abwärts zu der ausgefluchteten Plättchenkonzentratöffnung 58 bewegen.
  • Durch eine Änderung von einzelnen Variablen über einen Bereich, wohingegen andere Variablen in dem System konstant belassen wurden, sind andere Beziehungen identifiziert worden, die für die Erzielung eines maximalen Wirkungsgrads signifikant sind. Der Wirkungsgrad reflektiert in diesem Fall das kumulative Ergebnis, und zwar im wesentlichen in Form von Gesamtplättchen, die in einem gegebenen Zeitraum gewonnen wurden, so daß sowohl die Plättchenkonzentration als auch die Durchflußrate von Plättchenkonzentrat betroffen sind. Diese beiden Faktoren sind häufig zueinander entgegengesetzt veränderlich, so daß die Wahl der wirkungsvollsten operativen Beziehungen häufig einen Ausgleich zwischen den beiden dazu beitragenden Faktoren verlangt.
  • Eine Reihe von Durchläufen wurde mit Einheiten durchgeführt, bei denen das Maß der Divergenz der Außenwand relativ zu der Innenwand des Rotors 42 (d. h die Konizität des Zentrifugationsspalts 65 in Fig. 2) von insgesamt 0,89 mm (0,035") bis insgesamt 2,03 mm (0,080") geändert wurde. Das Plättchenkonzentrat fiel durch diesen Bereich ab, aber die Ausgangsdurchflußrate Qpc stieg mit einer höheren Geschwindigkeit an. Infolgedessen stieg der Trennwirkungsgrad, weil die Durchflußrate der bestimmende Faktor war. Eine Konizität mit einer differentiellen Beabstandung von 2,03 mm (0,080") wurde in anschließenden Untersuchungen verwendet. Diese Tests wurden jedoch mit einem Rotor von 2,54 cm (1") und einem Zentrifugationsspalt geringerer Größe als bei dem Rotor von 4,57 cm (1,8") durchgeführt. Obwohl bei dem hier beschriebenen 1,8"-Rotor der Zentrifugationsspalt vergrößert und die Konizität verringert waren, bleibt das etablierte Prinzip richtig, daß nämlich für jedes Set von Variablen eine optimale Konizität existiert.
  • In getrennten Untersuchungen wurde der Außendurchmesser des Rotorkerns 42 relativ zu dem Hauptteil der konischen Länge des äußeren Mantels verändert. Kleine Spalte mit konstanter Dimension wurden in dem untersten Einlaßbereich zu Dämpfungszwecken vorgesehen. Somit wurden die mittleren und die endgültigen Grenzgrößen des Zentrifugationsspalts in dem konischen Bereich geändert, wodurch auch das Gesamtblutvolumen geändert wurde, das in dem Zentrifugationsspalt eingeschlossen ist. Wenn die Konizität eine Differenz von 2,03 mm (0,080") zwischen ihren Grenzwerten hat, hatten sowohl das Plättchenkonzentrat als auch die Durchflußrate einen Peak bei ca. 18,29 mm (0,720") Kerndurchmesser relativ zu einem Mantelaußendurchmesser von 25,4 mm (1,000"), was einen durchschnittlichen Spalt von 2,03 mm (0,080") ergibt. Der Wirkungsgrad wurde in diesem selben Bereich maximiert. Die beobachtete Charakteristik war, daß sowohl die Durchflußrate als auch die Rate des Plättchenkonzentrats an beiden Enden des Bereichs von Spalten abfielen. Somit wurde ein durchschnittlicher Spalt von ca. 3,43 mm (0,.135") mit einem Mantel, der einen Außendurchmesser von 4,57 cm (1,8") hat, verwendet.
  • Die Tiefe des Spalts zwischen der konischen Wand 61 an dem oberen Ende des Kerns 42 und der gegenüberstehenden Innenwand des Mantels 80 kann eine Auswirkung auf die lokalisierten Bewegungen innerhalb des Zentrifugationsspalts 65 haben. Das Plättchenkonzentrat fiel mit abnehmender Spaltgröße etwas ab, aber die Durchflußrate stieg an. Der optimale Wirkungsgrad, bei dem gesichert ist, daß keine Erythrozyten mitgerissen werden, ergab sich bei einem Kernoberende, das in Aufwärtsrichtung divergent war, so daß ein konvergentes Ende des Zentrifugationsspalts erhalten wurde. Wenn der Spalt zu klein war, war das Produkt aus den Plättchenkonzentratöffnungen 58 im wesentlichen nur klares Plasma. Wenn andererseits der Spalt zu groß war, bestand eine Tendenz zur Anwesenheit von Erythrozyten in dem Plasma. Ein zu großer Spalt in diesem Bereich scheint eine übermäßige innere Bewegung zuzulassen, so daß Erythrozyten erscheinen und Hämolyse resultiert. Ein zu kleiner Spalt scheint kein oder ein unwirksames Vermischen innerhalb der geschichteten Lagen zu ergeben, so daß die Tendenz besteht, daß nur Plasma, der Bestandteil mit der geringsten Dichte, an den Plättchenkonzentratöffnungen 58 erscheint. Die Ausbildung des Kernoberteils derart, daß es in Aufwärtsrichtung divergiert, unterstützt auch das Leiten der gesamten Luft in der Trenneinrichtung zu den Plättchenkonzentratöffnungen 58. Dadurch wird die Erstvorbereitung (Priming) der Trenneinrichtung stark vereinfacht.
  • Bei der gezeigten optimalen Einheit, die für eine Eingangsdurchflußrate von 50 ml/min Vollblut ausgebildet war, wurde gefunden, daß der Wirkungsgrad bei 50 ml/min Eingangsmenge am größten war, obwohl auch höhere Durchflußraten möglich sind. Bei höheren Eingangsdurchflußraten ändert sich die Durchflußrate des Konzentrats nicht erheblich, und das Plättchenkonzentrat steigt zwar etwas an, aber die Ausgangsdurchflußrate ist ausschlaggebend, und das Nettoergebnis ist eine Verringerung des Wirkungsgrads. Außerdem sind in der Praxis Spenderdurchflußraten auf den Bereich von 50 bis 60 ml/min beschränkt.
  • Schließlich ist die Beziehung zwischen dem Spalt zwischen dem Rotor und dem Gehäuse sowie dem resultierenden Durchfluß von Plättchenkonzentrat bedeutsam. Bei den gegebenen 3600 U/min und dem oben angegebenen Rotorradius wird die Hämolyse bei Rezirkulationsdurchflußspalten unter 0,10 mm (0,004") meßbar. Wenn der Spalt 0,25 mm (0,010") überschreitet, verringert sich die Durchflußrate von plättchenreichem Plasma. Die derzeitige Hypothese ist, daß die Auswirkung auf die dominierende Charakteristik der Amplitude des Rezirkulationsdurchflusses an der Trennzone zurückgeht.
  • Fachleute werden außerdem erkennen, daß es ohne weiteres praktikabel ist, das System in einer umgekehrten Beziehung zu betreiben, wobei der Vollbluteingangsstrom sich am oberen Ende befindet, der Konus nach unten divergiert und die Plättchenkonzentratöffnungen an das untere Ende des Rotors angrenzen, so daß sie eine kürzere Durchflußbahn zu der koaxialen Ausgangsöffnung haben. Vorrichtungen mit dieser Konfiguration sind gebaut und mit zufriedenstellenden Ergebnissen in Betrieb genommen worden, aber die in den Fig. 1 bis 7 gezeigte Anordnung scheint sich schneller zu stabilisieren und eine etwas bessere Trennwirkung zu bieten.

Claims (9)

1. Zentrifugale Trerinvorrichtung zur Trennung von Ziel- Material, das in einer fluiden Suspension mit anderen Materialien vermischt ist, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: ein Gehäuse (11), einen Rotor (42) innerhalb des Gehäuses und einen dazwischen festgelegten Zwischenraum (90), wobei der Rotor eine doppelte Wand (56, 80) hat, die einen dazwischenliegenden Zentrifugationsspalt (65) zur Aufnahme der Suspension in diesem definiert, wobei der Rotor drehbar um eine Rotationsachse angeordnet ist, um für eine zumindest etwas radial verlaufende Schichtung der Materialien in der Suspension in dem Zentrifugationsspalt (65) zu sorgen, eine Einlaßöffnung (92), die von der Rotationsachse in radialer Richtung verlaufend getrennt ist zur Einführung der Suspension in den Zentrifugationsspalt (65), eine erste Auslaßöffnung (58), die axial von der Einlaßöffnung getrennt ist, für die Entnahme eines ersten Teils der Suspension, der reich an Ziel-Material ist, aus dem Zentrifugationsspalt, eine zweite Auslaßöffnung (85), die mit dem Zwischenraum (90) in Verbindung steht, wobei die zweite Auslaßöffnung (85) in axialer Richtung verlaufend von der Einlaßöffnung (92) in einem größeren Abstand als die erste Auslaßöffnung getrennt ist und radial von der Rotationsachse in einem größeren Abstand als die Einlaßöffnung (92) getrennt ist, für die Entnahme eines zweiten Teils der Suspension aus dem Zentrifugationsspalt, wodurch der Fluidfluß in der Zentrifugationsspalte (65) in einer ersten Richtung, die im wesentlich parallel zur Rotationsachse und von der Einlaßöffnung (92) kommend in Richtung der Öffnungen (58, 85) verläuft, gefördert wird, so daß die relative Bewegung zwischen der zweiten Auslaßöffnung (85) und der Flüssigkeit in dem Zwischenraum (90) für die Ausbreitung eines Fluid- Konvektionsmusters sorgt, das seinen Ursprung direkt neben der zweiten Auslaßöffnung (85) hat und sich von der zweiten Auslaßöffnung in die Zentrifugationsspalte (65) in entgegengesetzter Richtung zur ersten Richtung zumindest zu einem Bereich hin, der an die erste Auslaßöffnung (58) angrenzt, ausdehnt, so daß die Bestandteile der radial geschichteten Suspension erneut vermischt werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Zwischenraum (90) mit der Einlaßöffnung (92) in Verbindung steht, um den zweiten Teil zumindest teilweise in dem Zwischenraum (90) in entgegengesetzter Richtung zur ersten Richtung zu bewegen.
3. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Fließ-Impedanz in dem Zwischenraum (90) größer ist als in der Zentrifugationsspalte (65).
4. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Vielzahl von Erst-Auslaßöffnungen (58), eine Vielzahl von Zweit-Auslaßöffnungen (85), wobei jede einzelne mit einer der ersten Auslaßöffnungen in Verbindung steht, bei der die relative Bewegung zwischen jeder der zweiten Auslaßöffnungen (85) und der Flüssigkeit in dem Zwischenraum (90) für die Ausbreitung eines Fluid-Konvektionsmusters sorgt, das direkt angrenzend an jede der zweiten Auslaßöffnungen seinen Ursprung hat und sich axial zu einem Bereich hin, der an jede der ersten Auslaßöffnungen angrenzt, ausbreitet.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Vielzahl der ersten Auslaßöffnungen (58) entlang einer gegebenen Peripherielinie symmetrisch verteilt angeordnet ist, und bei der die Vielzahl der zweiten Auslaßöffnungen (85) dieselbe Anzahl aufweisen und entlang einer Peripherielinie axial von den ersten Auslaßöffnungen getrennt sind.
6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Zentrifugationsspalte (65) in Richtung der zweiten Auslaßöffnung (85) divergiert.
7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste Auslaßöffnung (58) mit Abflußeinrichtungen (69, 22) verbunden ist, um den ersten Teil entlang der Rotationsachse an die Außenseite des Gehäuses (11) zu leiten.
8. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, welche ferner einen magnetischen Antrieb (44, 45, 46) aufweist, der so gekuppelt ist, daß er eine Drehkraft an den Rotor (42) ohne mechanische Verbindung über das Gehäuse (11) überträgt.
9. Verwendung einer Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche zur Trennung von Blutbestandteilen, wobei die Suspension Vollblut ist und das Ziel- Material Blutplättchen oder Plasma umfaßt.
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