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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf das Abtrennen
von in Lösung
suspendierten Teilchen, basierend auf den einzigartigen Eigenschaften
der verschiedenen Teilchen, wie der Form, Größe und/oder Deformierbarkeit,
und spezieller auf das selektive Abtrennen oder Filtrieren von Zellen,
Zellkomponenten oder Fragmenten davon, die ein oder mehrere verschiedene
einzigartige physikalische Eigenschaften haben.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Techniken
für das
Abtrennen von Bestandteilen von verschiedenen medizinischen/biologischen
Flüssigkeiten,
wie Vollblut, werden für
viele diagnostische, therapeutische und andere mit der Medizin in
Verbindung stehende Anwendungen weitgehend verwendet. Beispielsweise
ist die Zentrifugalabscheidung, bezogen auf die unterschiedlichen
Dichten und Absetzgeschwindigkeiten der Bestandteilkomponenten,
die abgetrennt werden sollen, allgemein bekannt. Der CS-3000-Abscheider,
verkauft von Baxter Healthcare Corporation, Deerfield, Illinois,
ist ein Beispiel eines Zentrifugalabscheiders, der erfolgreich beim
Abtrennen von Vollblut in Bestandteilkomponenten, wie rote Blutzellen
(RBC), weiße
Blutzellen (WBC), Blutplättchen
und Plasma zum Sammeln oder Abreichern der gewünschten Komponenten von einem
Spender oder Patienten verwendet worden ist. Während die Zentrifugation nachweislich
ein im allgemeinen zufriedenstellendes Verfahren zum Erreichen der
Abtrennung ist, ist in bestimmten Anwendungen die Reinheit der abgetrennten
Komponenten nicht so hoch wie gewünscht aufgrund der sehr engen
und/oder überlappenden
Dichten und Absetzgeschwindigkeiten der unterschiedlichen suspendierten
Teilchen.
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Maschen-
und Aggregatstrukturen und -membranen werden ebenso verwendet, um
Teilchen aus der Suspension zu entfernen. Typischerweise zeigen
diese Filter er hebliche Oberflächengröße und/oder
-rauhigkeit, die Teilchenschäden
in biologischen Suspensionen, z.B. RBC-Hämolyse und Blutplättchenaktivierung
in Blut, verursachen können.
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Das
Abtrennen von biologischen Flüssigkeiten
unter Verwendung einer Filtermembran mit einer nominalen Porengröße ist ebenso
bekannt. Beispielsweise ist es weitgehend bekannt, daß eine Filtermembran
mit einer nominalen Porengröße von 0,22
Mikron (Mikron wird anstelle von Mikrometer durch die Beschreibung hindurch
verwendet) verwendet werden kann, um verschiedenartige Bakterien
und dergleichen aus einer Flüssigkeit
herauszufiltern. Diese Membranen, ebenso manchmal Kapillarporenmembranen
genannt, sind in Polyester- und Polycarbonatmaterial von beispielsweise
Nuclepore Corporation und in Polysulfon von Gelman Sciences, Inc.,
erhältlich.
Diese Filtermembranen sind ebenso verwendet worden, um die zellulären Komponenten
von Blut (manchmal „gebildete" Komponenten genannt)
aus flüssigem
Plasma zu filtrieren, d. h. „Plasmaphorese".
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Während diese
Membranen zufriedenstellen in bestimmten Anwendungen arbeiteten,
weisen diese Filtermembranen nur nominale Porengrößen auf,
die sich von Poren mit präziser
und konsistenter Größe, Form
und relativem Abstand zueinander unterscheiden. Tatsächlich ist
es bei diesen Membranen mit nominaler Porengröße nicht unüblich, daß sie „Dubletts" (d. h., überlappende, einander nicht
entsprechende Poren) umfassen, die den Durchgang durch die Membran
von Teilchen größer als
die nominale Porengröße erlauben. Damit
die Filtermembranen bei der Durchführung von Verfahrensweisen
nützlich
sind, bei denen Teilchen in einer Lösung von unerwünschten
Teilchen „gereinigt" werden, wobei die
unerwünschten
Teilchen um ein Vielfaches größer als
die gewünschten
Teilchen sind, dürfen
sie praktisch keine Dubletts zeigen.
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Das
Auftreten von Dubletts in Filtermembranen des Standes der Technik
setzte aufgrund ihrer Herstellungstechniken einen Kompromiß in ihrer
Gestaltung durch. Um speziell das Auftreten von Dublettes auf einem akzeptabel
niedrigen Niveau zu halten, muß der
mittlere Pore-zu-Pore-Abstand relativ groß sein, was die Porosität (d. h.,
das Verhältnis
der gesamten Porenfläche
zu der gesamten Membranfläche) von
diesen Membranen des Standes der Technik auf etwa 7% und weniger
einschränkt.
Im allgemeinen führt
eine niedrigere Porosität
zu einer niedrigeren Fließgeschwindigkeit
durch die Filtermembran. Daher sind, obwohl eine Filtermembran mit
einer nominalen Porengröße zum Definieren
einer durchschnittlichen oder nominalen maximalen Teilchengröße, die
durch die Filtermembran hindurchgeht, geeignet ist, diese Membranen
nicht präzise
dimensioniert, um die selektive Filtration von Teilchen von vergleichbarer
Größe, basierend
auf anderen einzigartigen Eigenschaften, wie Form oder Deformierbarkeit,
zu erlauben, und haben signifikante Nachteile, die ihre Anwendung
einschränken.
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Eine
weitere Schwierigkeit bei der Membranabtrennung von biologischen
und anderen Flüssigkeiten ist
die Beeinträchtigung
des Flusses durch die Membran aufgrund des Verschmutzens oder Verstopfens
der Filtermembran. Dieses Verschmutzen oder Verstopfen führt im allgemeinen
zur Ablagerung von Teilchen, die zu groß sind, um durch die Membran
hindurch zu gehen, auf der Oberfläche der Filtermembran und Verstopfung
der Poren. Es sind verschiedene Verfahren, das Verstopfen von diesen
Membranen zu verringern oder zu verhindern, bekannt. Beispielsweise
offenbart US-Patent Nr. 5,194,145 von Schoendorfer ein „Couette-Strömungs"-Filtersystem, bei
dem die Extraktion von Filtrat durch eine Membran erreicht wird,
die auf einem Zylinderrotor innerhalb einer stationären Zylinderzelle
befestigt ist. Die relative Bewegung zwischen den zwei konzentrischen
Zylindern erzeugt eine Oberflächengeschwindigkeit,
die kräftige
Wirbel an der Oberfläche
des Rotors erzeugt. Diese Wirbel, genannt Taylor-Wirbel, überdecken
konstant die Membranoberfläche,
um die Zellablagerung einzuschränken,
während
das Medium, das filtriert werden soll, kontinuierlich aufgefüllt wird.
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Eine
andere Technik, um die Membranverschmutzung zu verringern, wird
in US-Patent Nr. 4,735,726 von Duggins offenbart. Dieses Patent
offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchführen der
Plasmaphorese mittels Leiten von Blut über die Oberfläche einer
mikroporösen
Membran in sich hin- und herbewegendem pulsierendem Fluß durch
einen Peristaltikoszillator oder andere geeignete Pumpe zum Hervorrufen
von hin- und herbewegenden Pufsationen.
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Spezieller
offenbart Duggins ein Filtergehäuse
mit einer Blutflußregion
zwischen zwei Plasmaflußregionen.
Eine zentrale Bluteintrittsöffnung
ist mit der Blutflußregion
des Gehäuses
verbunden, während
ein Blutsammelkanal mit einer plasmaarmen Blutaustrittsöffnung verbunden
ist und die Plasmasammelöffnung
mit einer Plasmaaustrittsöffnung
verbunden ist. Ein Paar von Membranen ist zwischen jeder Plasmaflußregion
angeordnet, so daß es
dort einen Blutflußweg
zwischen den Membranen gibt. Blut wird in eine Vorwärtsrichtung (d.
h., weg von ihrer Quelle) über
die erste Oberfläche
von jeder Filtermembran beispielsweise durch eine Rotationsperistaltikpumpe,
eine Kolben- oder Spritzenpumpe oder eine Plunger- oder Schlauchpumpe
geleitet. Der Blutfluß wird
in einer sich hin- und herbewegenden Weise durch einen Peristaltikoszillator
pulsiert, der mit dem Gehäuse
durch Öffnungen
verbunden ist, die mit Flächen
nahe dem Ende des Flußweges
verbunden sind. Infolgedessen kann Blut in Vorwärtsrichtung und in umgekehrter
Richtung über
eine erste Oberfläche
von jeder Membran bei einem Haltetransmembrandruck geleitet werden,
während
der Transmembrandruck während
der Vorwärts-
und Umkehrleitung des Bluts verringert wird. Die Häufigkeit
und das Volumen der sich hin- und herbewegenden Pulse werden so
ausgewählt,
daß sie
den Plasmafluß durch
die Membranen ohne übermäßiges Bluttrauma
erhöhen.
Das Plasma, das durch die Membran geführt wird, wird gesammelt, während das
plasmaarme Blut in die Blutflußregion
rückgeführt wird.
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US 5543046 beschreibt eine
anorganische Membran, bestehend aus einem makroporösen anorganischen
Träger
und einer anorganischen Membranschicht, wobei die Poren der Membranschicht
Perforationen sind, die als flache Kanäle gebildet sind. Die Perforationen
werden mittels eines lithographischen Ätzverfahrens hergestellt, was
den Vorteil bietet, daß die
Form des Querschnittes der Kanäle
gemäß der Anforderung konstruiert
werden kann. Es wird außerdem
erwähnt,
daß es
denkbar ist, Teilchen nicht nur in bezug auf ihre Größe, sondern
ebenso in bezug auf ihre Form zu trennen, und daß sie zum Abtrennen von biologischen
Zellen beispielsweise Blutzellen nützlich sind. WO 88/04184 beschreibt
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abtrennen diskoider Teilchen
von Teilchen mit vergleichbarer Größe, aber unterschiedlicher
Form, basierend auf den Flußmerkmalen
der suspendierten diskoiden Teilchen innerhalb eines Rohrs längsseits
einer Wand, die mit Schlitzen gebildet ist.
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WO
95/13860 beschreibt einen Membranfilter, der verwendet wird, um
biologische Zellen abzutrennen, und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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WO
89/02305 beschreibt einen Leukozyten-Trennfilter mit feinen Poren,
die in bezug auf die Form im wesentlichen länglich sind, und wo die Leukozyten
nicht durch den Filter gehen. EP-A-0630675 beschreibt eine Vorrichtung
zum Entfernen von Leukozyten, einschließlich eines Filters mit Poren
mit einem speziellen Größenbereich.
Rote Zellen mit einem größeren Durchmesser
als der häufigste
Porendurchmesser können durch
den Filter gelangen, da sie leicht deformierbar sind.
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Seit
kurzem ist es möglich,
mikroporöse
Filtermembranen mit Poren mit präziser
Größe und Form durch
Techniken herzustellen, wie die, die in der US-Anmeldung Serien
Nr. 08/320,199 mit dem Titel „Porous Microfabricated
Polymer Membran Structure",
eingereicht am 7. Oktober 1994, mit demselben Vertreter wie der
vorliegenden Erfindung und veröffentlicht
als
WO 96 10966 A gezeigt
sind.
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Die
zuvor genannte Anmeldung offenbart im allgemeinen ein Verfahren
zur Mikrostrukturherstellung präziser
Membranen unter Verwendung eines ätzbaren Polyimidfilms auf einem
Siliciumsubstrat. Eine Polymerfilmschicht wird aus einem photoabbildbaren
Polyimidmaterial hergestellt. Der Film wird unter Verwendung von
negativen Photoresisttechniken oder einer Ätzmembranherstellungstechnik
verarbeitet, um ein vordefiniertes geometrisches Muster von Löchern und
Zwischenräumen,
die Stränge
definieren, zu erzeugen.
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Alternativ
können
andere Verfahren, wie positive Photoresisttechniken, RIE(reaktives
Ionenätzen),
LIGA(eine Abkürzung
in Deutsch für
lithographische Galvanoformung, Abformung, oder in Englisch, lithography, electroforming
and molding), verwendet werden, um Filtermembranen mit sehr kleiner
Porengröße (z.B.,
weniger als 10 Mikron) und praktisch keinen Dubletts, die außergewöhnlich einheitlich
sind, mit einem hohen Grad an Konsistenz von einer Pore zur nächsten zu
erzeugen. Ferner sind Elektronenstrahl- und Ionenätztechniken ebenso
mögliche
Mittel zur Herstellung präziser
Membranen hoher Porosität
mit außergewöhnlich kleinen
Poren. Mit dem Dublettproblem, das im wesentlichen durch diese verschiedenen
Herstellungstechni ken beseitigt wird, können organische Membranstrukturen
mit sehr hohen Porositäten
(über 35%
und möglicherweise
bis zu 80%) erzeugt werden, wobei die Porenfläche nur durch strukturelle
Umstände
eingeschränkt
ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der Erfindung
wird ein Verfahren zum Abtrennen einer Suspension nach Anspruch
1 und eine Vorrichtung zum Abtrennen einer Suspension nach Anspruch
14 bereitgestellt.
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Es
ist ein allgemeiner Gegenstand der Erfindung, ein verbessertes Verfahren
und eine Vorrichtung unter Verwendung von Membranen mit präziser Porengröße und Form
zum selektiven Abtrennen der Teilchen oder Komponenten in einer
medizinischen, biologischen oder anderen Suspension bereitzustellen,
basierend auf den Größen-, Form-,
Deformationseigenschaften oder einem anderen einzigartigen Merkmal
der verschiedenen Komponenten, die abgetrennt werden sollen.
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Spezieller
ist es ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes
Verfahren und eine Vorrichtung zum selektiven Abtrennen der verschiedenen
Komponenten von Vollblut, wie rote Blutzellen, weiße Blutzellen
und Blutplättchen,
oder Substanzen, die in Vollblut gefunden werden, bereitzustellen,
basierend auf ihren Größen-, Form-
und/oder Deformationseigenschaften.
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Es
ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung, ein Verfahren und eine
Vorrichtung, die präzise
Porengrößen einsetzt,
bereitzustellen, umfassend Mittel zum Verhindern des Verschmutzens
oder Verstopfens der Oberfläche
der Filtermembran.
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Diese
Gegenstände
sowie andere werden aus dem Bezug auf die folgende ausführliche
Beschreibung und den anhängenden
Zeichnungen offensichtlicht. Die vorliegende Erfindung bezieht sich
auf ein Verfahren zum Abtrennen einer Suspension, umfassend mindestens
eine erste und zweite Art an Teilchen verschiedener Form, wie in
Anspruch 1 beansprucht. Diese Teilchen können biologische Zellen oder
zelluläre
Komponenten und stärker
bevorzugt Tierzellen oder zelluläre
Komponenten sein, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine nicht-rigide Zellmembran
aufweisen, keine rigide Außenzellwand
besitzen und folglich bei Beanspruchung einem Trauma unterliegen.
Die erste Art an Teilchen ist bei einer relativ geringen Kraft und/oder
schnelleren Rate als die zweite Art an Teilchen deformierbar. Dieses
Verfahren umfaßt
das Bereitstellen einer Filtermembran mit Poren mit im wesentlichen
präzise
dimensionierten Porengrößen, wobei
die Poren so dimensioniert sind, daß sie den Durchgang der ersten
Art an suspendierten Teilchen ohne Verformung oder mit nur minimaler
Verformung und den Durchgang der zweiten Art an Teilchen mit nur
wesentlicher Verformung erlauben. Da die Filtermembran präzise dimensionierte
Poren aufweist, wobei der Abstand zwischen den Poren trotz des kleineren
Intervalls zwischen den Poren gehalten wird, kann die Porosität der Membran
viel größer sein
als die von Membranen mit nominaler Porengröße, wobei weniger Innenwegsvariabilität besteht.
Dies ermöglicht
schnellere Filtrationsgeschwindigkeiten und/oder kleinere Membranen
für eine
gegebene Filtrationsgeschwindigkeit, was die Expositionszeit von
Zellen innerhalb der Scherumgebung des Abscheiders verringert und
folglich Teilchenschäden
verringert (wie WBC-Schaden, Blutplättchenaktivierung und/oder
RBC-Hämolyse).
Ebenso ermöglicht
die glatte Membranoberfläche
und die Glätte
der inneren Wege der Poren konsistentere Flüssigkeitsscherung nahe der
Membranoberfläche
und verringert ferner die Porenexpositionszeit der Teilchen.
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Bei
diesem Verfahren wird die Membran mit der Suspension kontaktiert,
um den Durchgang der ersten Art an Teilchen zu erlauben und den
Durchgang der zweiten Art an Teilchen zu blockieren. Um den Durchgang der
ersten Art an Teilchen durch die Poren zu verbessern, kann in einer
Klasse der Ausführungsformen
die Membrandicke in bezug auf die erste Art an Teilchen klein sein.
In einer anderen Klasse der Ausführungsformen
kann die Membrandicke in bezug auf die zweite Art an Teilchen groß sein,
um die Deformation der zweiten Art an Teilchen weiter zu inhibieren.
Um den Durchgang der ersten Art an Teilchen und die Blockierung
der zweiten Art an Teilchen zu verbessern, kann die Zeit, die die
Suspension und Membran in Kontakt sind, die Kontaktkraft zwischen
der Suspension und Membran und/oder die relative Bewegung zwischen
der Suspension und Membran selektiv variieren, entweder allein oder
in Kombination.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren zum
Filtrieren einer Suspension bereitgestellt werden, umfassend mindestens
zwei Arten an Teilchen mit unterschiedlicher Größe und/oder Form, die sich
in den Deformierbarkeitseigenschaften unterscheiden. Bei diesem
Verfahren weist die Filtermembran im wesentlichen präzise dimensionierte
Poren auf und kann ebenso eine sehr hohe Porosität haben. Die Suspension und
die Filtermembran mit präziser
Porengröße werden
miteinander mit einer Kraft oder für eine Zeit, die ausreichend
ist, um die Deformation der ersten Art an Teilchen für den Durchgang
durch die Poren zu ermöglichen,
aber unzurreichend ist, um die Deformation der zweiten Art an Teilchen
für den Durchgang
durch die Poren zu ermöglichen,
in Kontakt gebracht.
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Obwohl
die zwei obigen Aspekte oder Verfahren separat betrachtet werden,
sind sie notwendigerweise nicht separat, und können in Kombination eingesetzt
werden. Beispielsweise liegt es innerhalb des Umfangs der vorliegenden
Erfindung, eine Membran mit präziser
Porengröße einzusetzen,
die eine präzise
Porengröße aufweist,
und wobei die Lösung,
die filtriert werden soll, erste und zweite Arten an Teilchen von
unterschiedlicher Form und unterschiedlichen Deformationseigenschaften
umfaßt.
Die präzise
dimensionierten Poren können
eine Form, die im allgemeinen nur der Form des ersten Teilchens
entspricht, und eine Größe besitzen,
die gewisse Deformation des ersten Teilchens erfordert, um hindurch
zu gelangen. Die Suspension wird mit der Membran für ausreichende
Zeit und/oder Druck in Kontakt gebracht, damit das erste Teilchen
deformieren kann und durch die Poren hindurchgehen kann, aber nicht
das zweite Teilchen. Wie in dem zuerst beschriebenen Verfahren,
können
die Zeit, die die Suspension und Membran in Kontakt sind, die Kontaktkraft zwischen
der Suspension und der Membran und/oder die relative Bewegung zwischen
der Suspension und der Membran selektiv variieren, entweder allein
oder in Kombination, um den Durchgang der ersten Art an Teilchen
durch die Membran zu verbessern.
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In
dem oben bezeichneten Verfahren verbessert der Mangel von einander
nicht entsprechenden Poren die Reinheit der Abtrennung und die sehr
hohe verfügbare
Porosität
verbessert das Verfahren durch Verringern der Expositionszeit der
suspendierten Teilchen in dem Filtrationsschergebiet, wenn die Teilchen
durch die Mem bran gehen, durch einen Faktor von etwa 3 bis 11, wodurch
das Trauma der abgetrennten Teilchen aufgrund von Filtrieren verringert
wird. Die erforderliche Membranfläche wird durch einen ähnlichen
Faktor verringert, wodurch möglicherweise
die Vorrichtungsgröße und Kosten
wesentlich verringert werden und die Teilchenbeanspruchung verringert
wird, die mit der Teilchenexpositionszeit dem Schergebiet in Verbindung
steht.
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In
den oben beschriebenen Verfahren kann ein zusätzlicher Schritt des Reinigens
der Stromaufwärtsoberfläche der
Membran einbezogen werden, um die Akkumulation der zweiten Art an
Teilchen auf der Oberfläche
der Membran zu verhindern, was zum Verstopfen oder Blockieren der
Poren führen
kann. Mittels der Beispiele und ohne Einschränkung kann der Reinigungsschritt
durch Fließen
der Suspension über,
d. h. parallel zu, der Oberfläche
der Filtermembran, Erzeugen von Turbulenzen auf der Oberfläche der
Membran, um die verstopfenden Teilchen von der Oberfläche wegzufegen,
oder relatives Oszillieren der Membran und Suspension, um die zweite
Art an Teilchen von der Oberfläche
der Membran wegzuspülen,
durchgeführt
werden.
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Die
vorliegende Erfindung verkörpert
ebenso eine Vorrichtung zum Abtrennen einer Suspension, umfassend
zumindest erste und zweite Arten an Teilchen von unterschiedlicher
Form, wie in Anspruch 14 beansprucht. Eine Vorrichtung zum Durchführen des
ersten genannten Verfahrens umfaßt beispielsweise eine Filtermembran
mit im wesentlichen präzise
dimensionierten Poren (die Membrandickenerfordernisse umfassen), die
geformt sind, um im wesentlichen der Form der ersten Art an Teilchen
zu entsprechen, und um den Durchgang davon ohne oder bei nur geringer
Deformation der ersten Art an Teilchen zu erlauben, aber den Durchgang
der zweiten Art an Teilchen zu blockieren. Es wird ein Mittel bereitgestellt,
um die Suspension und die Membran ausreichend in Kontakt zu bringen,
um den Durchgang der ersten Art an Teilchen durch die Membran zu
erlauben, aber unzureichend, um den Durchgang von im wesentlichen
jeder der zweiten Art an Teilchen durch die Membranporen zu erlauben.
Das zuvor genannte Mittel kann ebenso Verstopfung der Membranporen
verringern.
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Die
Vorrichtung zum Durchführen
des zweiten identifizierten Verfahrens kann ebenso eine Filtermembran
mit im wesentlichen präzise
dimensionierten Poren umfassen (die Membrandickenerfordernisse umfassen).
In der zweiten Ausführungsform
werden die Membranporen präzise
dimensioniert, um den Durchgang der ersten Art an Teilchen nur bei
Deformation zu erlauben, und die erste Art an Teilchen ist bei einer
schnelleren Geschwindigkeit als die zweite Art an Teilchen deformierbar.
Wie die Vorrichtung zum Durchführen
des ersten Verfahrens umfaßt
die zweite Vorrichtung ebenso Mittel zum Inkontaktbringen der Suspension
mit der Membran mit einer Kraft – entweder direkt oder durch
Scherung – und
für eine
Zeit, die ausreichend ist, um die Deformation der ersten Art an
Teilchen und den Durchgang durch die Membran zu erlauben, aber unzureichend
ist, um die Deformation von im wesentlichen jeder der zweiten Art
an Teilchen zum Durchgang durch oder Verstopfen der Membranporen
zu erlauben. Natürlich
ist bei der Wahl der Membranmaterialien für die Abtrennung, Konzentration
oder Entfernung von Teilchen aus der Suspension, insbesondere in
dem Fall von biologischen Suspensionen, wie Blut, große Vorsicht
notwendig. Hydrophile Materialien, wie Polycarbonat, oder spezielle
Oberflächenbeschichtungen
oder -modifikationen sind zusätzlich
zu gerinnungshemmenden Mitteln typischerweise für Blutprodukte erforderlich,
um Blutplättchenaktivierung,
Blutzellenaggregation, Gerinnen und/oder Hämolyse zu vermeiden oder zu
minimieren.
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Wie
nachstehend ausführlicher
dargestellt, finden diese Verfahren und Vorrichtungen besondere
Anwendung bei der selektiven Abtrennung der gebildeten Elemente
von Blut (rote Zellen, weiße
Zellen und Blutplättchen)
voneinander oder der Abtrennung von gebildeten Komponenten aus dem
Plasma, der Flüssigkeit, in
der sie suspendiert sind. Wenn beispielsweise in dem ersten Verfahren
und der Vorrichtung die Flüssigkeit, die
abgetrennt werden soll, Vollblut ist, und es speziell gewünscht ist,
die weißen
Blutzellen von den roten Blutzellen abzutrennen, kann eine Filtermembran
bereitgestellt werden, die Poren aufweist, die präzise rechtwinklig,
mit ungefähr
1,8 Mikron bis 3,5 Mikron mal ungefähr 6,0 Mikron bis 14,0 Mikron,
dimensioniert sind, um den Durchgang von roten Blutzellen ohne Deformation
oder mit nur geringer Deformation und weißen Blutzellen nur bei wesentlicher
Deformation der weißen
Blutzellen zu erlauben. Es ist bekannt, daß weiße Blutzellen bei einer wesentlich
langsameren Geschwindigkeit als die roten Blutzellen deformieren,
wenn sie dersel ben Kraft unterzogen werden. Das Vollblut und die
Filtermembran werden für
eine Zeit, die ausreichend ist, oder mit einer Kraft, die ausreichend
ist, oder eine Kombination von Zeit und Kraft, die ausreichend ist,
um jegliche erforderliche Deformation der roten Blutzellen für den Durchgang
durch die Poren in der Filtermembran zu erlauben, aber unzureichend,
um im wesentlichen alle der weißen
Blutzellen für
den Durchgang durch die Poren zu deformieren, in Kontakt gebracht.
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Die
obige Beschreibung ist nur als Zusammenfassung gedacht. Eine ausführlichere
Beschreibung der verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung wird nachstehend dargestellt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Draufsicht eines Teils einer Kunststoffmembran mit präzisen Poren
gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei die Poren in der Form oval oder rechtwinkelig sind,
in einem abwechselnden Paarmuster angeordnet sind und beispielsweise
2,5 Mikron mal 9 Mikron messen, während ebenso die Verschiedenheit
solcher Poren, basierend auf den Größen der verschiedenen Blutkomponenten,
veranschaulicht wird;
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2 ist
eine Draufsicht einer Filtermembran mit präzisen Poren ähnlich 1,
wobei die Poren beispielsweise 2 Mikron mal 8 Mikron messen;
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3 ist
eine Draufsicht einer Filtermembran mit präzisen Poren ähnlich 1,
außer
daß die
Poren in einer überlappenden
in einer Richtung liegenden Beziehung angeordnet sind, und beispielsweise
2,5 Mikron mal 9 Mikron messen;
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4 ist
eine Draufsicht einer Familie der Filtermembran mit präzisen Poren ähnlich 3,
wobei die Poren beispielsweise 2,5 Mikron mal 12 Mikron messen,
und den Durchgang einer roten Zelle und die Blockierung einer weißen Zelle
darstellt;
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5 ist
eine Draufsicht einer Filtermembran mit präzisen Poren mit sehr hoher
Porosität
mit Dimensionstoleranzen zum Filtrieren von Plasma aus Vollblut
mit abwech selnden Reihen von kreisförmigen Poren, wobei die Poren
beispielsweise etwa 0,70 Mikron im Durchmesser messen;
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6 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer Filtermembran mit präzisen Poren
mit einem Scherfluß von
Blut über
seine Oberfläche
und einem positiven Transmembrandruck;
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7 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer Filtermembran mit präzisen Poren,
wobei der Transmembrandruck variiert, beispielsweise durch positives
und negatives Oszillieren;
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8 ist
eine perspektivische Ansicht im Teilquerschnitt eines rotierenden
Membranfilters von dem Typ, von dem angenommen wird, daß er für die Verwendung
in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
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9 ist
eine perspektivische Ansicht im Querschnitt eines rotierenden Membranfilters
von dem Typ, der in 8 gezeigt wird, der Taylor-Wirbel
in der Lücke
zwischen einem inneren Rotor und einem äußeren Gehäuse zeigt;
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10 ist
eine Querschnittsansicht der Lücke
und Membran, die in 9 gezeigt wird, die die RBC-Orientierungen
in der Grenzschicht und das Kippen von RBCs beim Eindringen in die
Poren in der Membran zeigt;
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11 ist
ein schematisches Diagram einer Zellwaschvorrichtung des Typs, der
für die
Verwendung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung geeignet
sein wird, und
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12a–c
zeigen die relativen Größen von
verschiedenen Blutzellen in bezug auf spurgeätzte Membranen des Standes
der Technik.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Wendet
man sich den Figuren zu, beginnend mit 1, wird
die vorliegende Erfindung im allgemeinen in einem System oder einer
Vorrichtung verkörpert,
die eine Filtermembran 100 mit präzise dimensionierten Poren 102 mit
einer speziellen Größe und/oder
Form einsetzt, die in Abhängigkeit
der Suspension oder anderen Flüssigkeit,
die filtriert werden soll, ausgewählt werden kann. Wie hierin
mit Bezug auf die Membranporengröße verwendet,
bedeuten „präzise", „präzise dimensioniert" oder Varianten davon
Porengrößen, die
im wesentlichen von einer ausgewählten
Größe und Form
sind, aber typischerweise notwendigerweise nicht weniger als etwa
10 bis 20 Mikron und mindestens 0,1 Mikron und kleiner, mit Dicken
von typischerweise, aber nicht notwendigerweise weniger als etwa
1 bis 15 Mikron.
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Die
Membran, die in der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, kann
aus polymerem Material sein, wie Polyimidmaterial, und kann gemäß dem Verfahren,
das in der oben identifizierten US-Patentanmeldung Serien Nr. 08/320,199,
veröffentlicht
als
WO 96 10966 A ,
dargestellt ist, hergestellt werden. Im allgemeinen sind formbare
Materialien, wie thermoplastische Kunststoffe, optimiert, um die
Oberflächen
für die
Suspensionsmedien und -teilchen schlüpfrig zu machen, für das Abtrennen
von Blutkomponenten geeignet. Medizinisches Polycarbonat kann durch
Verfahren wie LIGA gebildet werden. Alternativ würde für Anwendungen, einschließlich hydrophoben
Suspensionen, z.B. die Regenerierung von Petrol-basierenden Suspensionen
wie Transmissionsflüssigkeit,
eine Membran mit präziser
Porengröße und Form
aus einem hydrophoben Material geeignet sein. Membranen mit präziser Porengröße von anderen
Materialien oder in anderen Wegen hergestellt, ob zuvor bekannt
oder danach entwickelt, liegen im Umfang der vorliegenden Erfindung.
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Obwohl
im Kontext der Blutfiltration oder -abtrennung dargestellt, ist
die vorliegende Erfindung nicht auf diese spezielle Anwendung beschränkt. Die 1 bis 5 zeigen
beispielsweise verschiedene Ausführungsformen
einer Membran mit präziser
Porengröße, die
in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann. Diese Membranen
können
entweder flache oder gekrümmte
Oberflächen
haben. 1 stellt eine Membran 100 mit einem Muster
von abwechselnden Poren 102 dar. Die darge stellten Poren 102 sind
in der Form im allgemeinen rechtwinklig mit einer Länge von
9 Mikron und einer Breite von etwa 2,5 Mikron. Der Abstand zwischen
den Poren 102 kann mindestens die Dimensionstoleranzen
betragen, und die Festigkeit des Membranmaterials erlaubt, daß die Porosität für ein gegebenes
Material und Anwendung maximiert werden kann.
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Die
Form und Größe der präzisen Poren
und der Abstand zwischen den Poren kann in Abhängigkeit der gewünschten
Anwendung ausgewählt
werden. Es wird angenommen, daß die
rechtwinklige oder ovale Porenform oder -größe, dargestellt in 1,
beim Abtrennen von Leukozyten von roten Zellen, Blutplättchen und Plasmakomponenten
von Menschenblut besonders nützlich
sind. (Für
die Zwecke dieser Anwendung sollte „Vollblut" ebenso ungerinnbares Vollblut und Blut
mit Krankheiten, wie Sichelzellanämie umfassen.) Reife normale
menschliche rote Zellen, die keinen Kern haben, sind typischerweise
von diskoider Form mit einem Durchmesser von etwa 7 Mikron und einer
Dicke von etwa 2 Mikron. Obwohl nicht perfekt sphärisch, haben Leukozyten
oder weiße
Zellen typischerweise einen äußeren Durchmesser
von einem Minimum von etwa 4,5 Mikron bis etwa 20 Mikron mit einem
Kern von typischerweise 3,8 bis 4 Mikron oder größer. Blutplättchen sind viel kleiner als
sowohl rote Zellen als auch weiße
Zellen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung würde
ein Membranfilter mit präziser
Porengröße mit im
allgemeinen rechtwinkligen oder ovalförmigen Poren von etwa 9 Mikron × 2,5 Mikron
den Durchgang von roten Zellen, Blutplättchen und Plasma erlauben,
aber im wesentlichen den Durchgang der weißen Zellen verhindern. Dies wird
in 1 dargestellt, die eine rote Zelle 104,
die durch eine Pore 102 hochkant durchgeht, ein Blutplättchen 106,
das durch eine Pore durchgeht und einen Leukozyten 108 zeigt,
der vor dem Durchgang aufgrund der geringen Breite der Pore 102 blockiert
wird, die kleiner als die Größe der weißen Zelle
oder seines Kerns ist.
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2 zeigt
eine Membran 100 mit einem ähnlichen abwechselnden Muster
von präzisen
Poren 102 mit im wesentlichen rechtwinkligen Poren mit
einer Länge
von etwa 8 Mikron und einer Breite von 2 Mikron. Der Abstand zwischen
benachbarten Poren 102 beträgt etwa 3 bis 4 Mikron. Sehr
kleine Abrundungen 110, wie 0,5 Mikron × 0,5 Mikron, werden in jeder
Ecke der Pore bereitgestellt, um die Spannungskonzentrationen zu
verringern und übermäßigen oder
unnötigen
Plasmafluß durch
die Poren zu verhindern. Während
die Eckenabrundungen 110 die Poren 102 „oval" für die Zwecke
dieser Anwendung machen, sind diese ovalen Poren im wesentlichen
rechtwinklig. Eine rote Zelle bzw. weiße Zelle wird dargestellt,
die durch eine Pore geht und durch eine Pore blockiert wird.
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Wie
oben angegeben, kann die Größe und Form
der präzisen
Poren in Abhängigkeit
der gewünschten Anwendung
ausgewählt
werden. Dasselbe kann man ebenso von dem Muster der Poren sagen. 3 zeigt eine
Filtermembran 100 ähnlich 1,
außer
daß die
Poren 102 in einer parallelen, überlappenden, in einer Richtung
liegenden Beziehung angeordnet sind. Diese Anordnung kann die Wahrscheinlichkeit
von richtiger RBC-Anordnung für
bestimmte Abtrennmittel, wie Rotationsmembranvorrichtungen, erhöhen, während das abwechselnde
Porenmuster die Wahrscheinlichkeit der richtigen Anordnung von RBCs
in anderen Filtervorrichtungen, wie oszillierende Querstromsysteme,
die nachstehend ausführlicher
erläutert
werden, erhöhen kann.
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4 stellt
eine Familie von Membranen 100 mit Poren 102 von
im allgemeinen rechtwinkliger oder aufgrund der Eckenabrundungen 110 mit
ziemlich ovaler Form, etwa 12 Mikron lang und 2,5 Mikron breit,
dar. Während
nur ein einzelner Block von drei Poren in 4 dargestellt
wird, kann eine Membran 100 diese Blöcke aufweisen, die mit der
Hauptachse der Poren in beiden Richtungen angeordnet sind, wie die
Membranen, die in den 1 und 2 dargestellt
sind. Es wird in Betracht gezogen, daß eine Breite von der rechtwinkligen
Pore 102 bis zu etwa 3 bis 3,5 Mikron eng genug sein wird,
um im allgemeinen den Durchgang von Leukozyten zu blockieren. Die
Membran 100 kann eine Vielzahl von Dicken aufweisen, wie
1,0 ± 0,1
Mikron, 3,0 ± 0,3
Mikron, 5,0 ± 0,3
Mikron oder 10,0 ± 0,5
Mikron, was ein Parameter der präzisen
Größe und Form
der Poren ist. Je näher
natürlich
die Breite der Poren an dem Durchmesser des Kerns der weißen Zellen,
der minimal etwa 3,8 Mikron ist, und an dem Gesamtdurchmesser der
weißen
Zellen, der minimal etwa 5 Mikron sein kann, liegt, desto größer ist
die Möglichkeit
der weißen
Zellen durch die Membran hindurchzugehen.
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5 stellt
eine Membran 100 mit präziser
Porengröße mit präzisen Poren 102 dar,
die im wesentlichen kreisförmig
sind, die verwendet werden kann, beispielsweise in Einzelteilchen-
(z.B. Blutzellen-)-konzentrations- und -waschanwendungen und in
Suspensionsmediensammelanwendungen, wie dem Sammeln von Plasma aus
Vollblut, wobei das Blutplättchen-freie
Plasma als Medium betrachtet wird (einschließlich ausgesprochen kleine
suspendierte Proteine, die in bezug auf diese Membranporengrößen vernachlässigbar
klein sind). Ein solches Verfahren wird „Suspensionskonzentration" genannt, ob das
gewünschte
Produkt entweder die konzentrierte Teilchensuspension oder das im
wesentlichen Teilchen-freie Mediumfiltrat ist, oder beides. Die
Packungsdichte der Poren ist optimiert worden, um eine einzigartig
hohe Porosität
bereitzustellen, die durch präzises
Dimensionieren und Toleranzgebung der Poren erreichbar ist. Diese
Membran stellt eine Porosität
von etwa 56% bereit, ungefähr
das achtfache von den spurgeätzten
Membranen des Standes der Technik. Diese achtfache Erhöhung der
Porosität
stellt die Möglichkeit
für überaus erhöhte Filtratfließgeschwindigkeiten oder überaus verringerte
Scherkräfte
für äquivalente
Filtratfließgeschwindigkeiten
oder überaus
verringerte Membranflächen
für verringerte
Abscheiderkosten bereit. Die Verringerung der Membranfläche verringert
signifikant die Zellexpositionszeit in Hochscher-Couette-Strömungs-Abscheidern,
verringert Zellspannung, Blutplättchenaktivierung
und RBC-Hämolyse.
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Membranen
von dem Typ, dargestellt in 5, können für geringen
Druckverlust innerhalb der Membranporen durch Erhöhen der
präzise
dimensionierten Porengröße bis auf
eine Größe, die
den Fluß an
freiem Medium durch die Poren erlaubt, während im wesentlichen keine
Teilchendeformation erlaubt wird, optimiert werden, um den Teilchendurchgang
durch die Poren zu inhibieren. Präzise dimensionierte Poren haben
Porengrößen und
Größentoleranzen
und einen Pore-zu-Pore-Abstand und Abstandstoleranzen, damit keine
einander nicht entsprechende Poren (Dubletts) entstehen. Während verschiedene
Porenbreitenbereiche, -längenbereiche
und -dickenbereiche offenbart worden sind, müssen viele zusammenhängende Parameter
zusätzlich
zu den spezifischen Teilchengrößen-, -form-
und -deformierbarkeitseigenschaften bei der Membrandimensionsoptimierung
berücksichtigt
werden. Diese Parameter umfassen Filtratfließgeschwindigkeiten (beeinflussen
den Kontaktdruck), Konzentratfließgeschwindigkeiten und RPM
(beeinflussen die Expositionszeit einer Zelle über einer Pore und Scherkräfte), Membrandicke,
Steifigkeiten, Viskositäten,
Oberflächeneigenschaften und
die Plasma- oder Mediengrenzschichten, sowohl in bezug auf die gesamte
Membran und den Abscheider als auch die benachbarten inneren Oberflächen der
Porenwände,
die notwendig sind, um den Transport von (und die Schmierung von)
RBCs zu unterstützen,
so daß sie
leicht durch die Poren ohne Zusetzen (Verstopfen) der Membran oder
Beschädigen
der Zellen hindurchgehen. Deformation und Mangel an wesentlicher
Deformation von Suspensionsteilchen umfassen dreidimensionale Geometrien,
Drücke,
Kräfte
und lokale Fließmuster.
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Obwohl
die oben erläuterten
Figuren für
das Abtrennen von Teilchen aufgrund ihrer Größe und/oder Form gezeigt worden
sind, kann gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung die relative Deformierbarkeit
der Teilchen in der Lösung
berücksichtigt
werden, um die Filtration zu verbessern. Beispielsweise ist es bekannt,
daß in
menschlichem Blutmaterial normale rote Zellen wesentlich leichter
deformierbar sind als weiße
Zellen, und sich schneller und unter weniger Kraft als die weißen Zellen
deformieren, während
bei ausreichender Zeit die WBCs großer Deformation unterliegen
können
und tatsächlich
durch kleine vaskuläre Öffnungen
hindurchgehen.
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In
dem Artikel Rheology of Leukocytes, Chien, et al., Annals of The
New York Academy of Sciences, UMI Article Clearing House, Bd. 516,
1987, berichtet Chien über
die Forschungen von großen
Deformationen von WBCs durch Untersuchen ihrer Filtrierbarkeit durch
Polycarbonatsiebe mit Poren von 5 Mikron und schlossen daraus, daß die Ergebnisse
sowohl durch die geometrischen als auch intrinsischen Theologischen
Eigenschaften der Zelle beeinflußt werden. Nachstehend ist
eine Tabelle, wiedergegeben von Chien et al., die die rheologischen
und die geometrischen Eigenschaften von menschlichen Erythrozyten
(RBCs) und Neutrophilen (WBCs) vergleicht;
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Chien
et al. geben an, daß die
geometrische Beziehung zwischen Zellvolumen und Membranfläche von
WBCs so ist, daß sie
in der Lage sein sollten, zu deformieren, so daß sie durch einen so engen
Kanal wie den der RBCs passen. Jedoch fanden Chien et al. heraus,
daß WBCs
eine relative Unfähigkeit
im Vergleich zu RBCs aufwiesen, einen 5-Mikron-Kanal zu überqueren,
und führten
dies hauptsächlich
auf den Unterschied in ihren viskoelastischen Eigenschaften zurück. Die
Kurzzelt-Deformationsbeständigkeit
von WBCs ist das vierfache von der der RBCs, und die zelluläre Viskosität von WBCs
ist mehr als das 150fache höher
als die von RBCs. Ferner weisen WBCs Kerne auf, die weniger deformierbar
als das Zellzytoplasma sind, während reife
RBCs keine Kerne haben. Chien et al. nehmen an, daß ihre Ergebnisse
die mögliche
Wichtigkeit von erhöhten
WBCs beim Hervorrufen der Mikrogefäßverstopfung darstellen.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Flüssigkeitsdruck oder Transmembrandruck
bereitgestellt, und eine Porengröße und -form
werden bereitgestellt, um den relativ freien Durchgang von RBCs
oder mit etwas Deformation zu erlauben, während WBCs gezwungen sind,
im größeren Maße zu deformieren.
Die Dicke der Filtermembran ist umgekehrt sowohl mit der Durchlaufzeit
als auch -kraft verbunden, die erforderlich ist, um eine WBC oder
RBC zu deformieren, so daß sie
durch die Filtermembran gehen kann. Die Filtermembranen, die in
der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, liegen in der Größenordnung
von etwa 1 bis 15 Mikron Dicke. Da die WBC-Deformation 10- bis 50fach
langsamer als die RBC-Deformation stattfindet, muß in Membranen,
wie die, die oben beschrieben sind, die Porenbreiten aufweisen,
die wesentlich kleiner als der Durchmesser einer weißen Zelle
sind, die WBCs am Eingang zu den Poren für eine begrenzte Zeit bleiben, bevor
sie vollständig
eindringen können
und in die Membran einfallen. Durch Auswählen der Flüssigkeitsscherrate und Expositions-
oder Kontaktzeit und/oder Druck zwischen der Quellsuspension und
der Membran können
sich die roten Zellen deformieren und hindurchgehen, während weiße Zellen,
die größere Beständigkeit gegenüber Deformation
aufweisen, im wesentlichen herausfiltriert werden.
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Es
gibt verschiedene Techniken zum Kontrollieren der Zeit, die die
Lösung
und Membran in Kontakt sind, und/oder zum Kontrollieren des relativen
Drucks zwischen der Lösung
und Membran. 6 stellt beispielsweise im Querschnitt
eine Filtermembran 100 mit in eine Richtung verlaufenden
präzisen
Poren 102 dar (wie die, die in 3 gezeigt
sind), was die Breiten der Poren 102 zeigt. Es wird gezeigt,
daß die
Lösung,
die rote Zellen 104 und weiße Zellen 108 umfaßt, umgekehrt über die
Oberfläche
der Membran fließt.
Die relative Geschwindigkeit der Lösung über die Oberfläche der
Membran 100 ist ein Verfahren zum Bestimmen oder Variieren
der Kontaktzeit zwischen der Lösung
und der Membran. Mit anderen Worten, ist durch die Verwendung einer
relativ hohen Geschwindigkeit zwischen der Membran 100 und
Lösung
nur eine geringe Menge an Zeit für
die Zellen verfügbar,
um durch die Poren mit präziser
Größe und Form
hindurchzugehen. Dies unterstützt beispielsweise
das Erlauben des Durchgangs von roten Zellen 104 durch
die Membran, aber erlaubt keine ausreichende Zeit für die Deformation
von weißen
Zellen 108, um in die Poren einzudringen, bevor sie durch die Scherkraft
weggefegt werden, die durch relative Bewegung der Flüssigkeit über die
Membran ausgeübt
wird.
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Ein
anderer Weg, um den Durchgang von einem Teilchen zu optimieren und
den Durchgang von anderen Teilchen zu blockieren, basierend auf
den unterschiedlichen Deformierbarkeitsgeschwindigkeiten, ist, den
Transmembrandruck zwischen den Stromaufwärts- und Stromabwärtsseiten
der Membran zu verändern, wie
allgemein in 7 dargestellt. Dies kann beispielsweise
durch Oszillieren der Membran 100 in bezug auf die Suspension,
die filtriert werden soll, oder durch Verändern des Drucks der Suspension
erreicht werden. Relative Oszillation der Membran 100 zu
und weg von der Lösung
oder umgekehrt würde
beispielsweise den Durchgang der Teilchen, die relativ schnell deformierbar
sind oder die wenig Deformation erfordern, wie rote Zellen 104,
durch die Membran 100 erlauben, während die weniger deformierbaren
Teilchen, wie weiße
Zellen 108, nicht ausreichend Zeit haben, zu deformieren,
um in die Membran einzufallen oder durch die Poren 102 hindurchzugehen,
bevor die relative Oszillation die weniger deformierbaren Teilchen
bewegt. Die Teilchen, die durch die Poren 102 hindurchgehen,
können
aus der Region, die zu der Membran 100 nachbarständig ist,
beispielsweise durch den Fluß parallel
zu der Membranoberfläche
entfernt werden. Eine beständige
Strömung parallel
zu der Oberfläche
der Filtermembran kann durch eine Pumpe gehalten werden, während der
hin- und herbewegende Fluß,
der senkrecht zu der Filtermembran ist, mit beispielsweise piezoelektrischen
Vorrichtungen erzeugt werden kann, um eine entsprechende maximale
Kontaktzeit zwischen den WBCs und der Filtermembran bereitzustellen,
so daß WBCs
nicht durch die Membran gehen.
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Ein
anderes Verfahren zum Sicherstellen, daß die WBCs nicht in Kontakt
mit der Filtermembran für einen
Zeitraum bleiben, der ausreichend für sie ist, entweder ausreichend
zu deformieren, durch die Membran hindurchzugehen oder bloß die Filtermembran
zu verstopfen oder zu verschmutzen, umfaßt das Abwischen der Membran
mit einem hohen Scherfluß,
wie Taylor-Wirbel (wie in Schoendorfer in Verbindung mit einem Rotationsfilter
offenbart), oder das Vorhandensein eines hin- und herbewegenden
pulsierenden Flusses (wie in Duggins offenbart).
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Relative
Oszillation und relativer Scherfluß zwischen der Suspension und
Membran kann ebenso in Kombination verwendet werden, um den Durchgang
der gewünschten
Teilchen oder Zellen zu verbessern und um Akkumulation von Teilchen
oder Zellen, die aus der Suspension entfernt wurden, zu verhindern.
Beispielsweise wird die kontinuierliche Retention von WBCs nahe
der Stromaufwärtsseite
der Filtermembran eine Leukozyten-reiche Blutschicht nahe der Membran
bilden und kann schließlich
die Fähigkeit überwinden,
die Öffnungen
sauber von WBCs zu halten. Die Leukozyten, die eine WBC-reiche Schicht
bilden, können
von der Membranoberfläche
durch jede Anzahl von Verfahren weggewischt werden, einschließlich beispielsweise durch
Fließen
des Zufuhrbluts tangential über
die Membran, wie oben erläutert,
oder durch relative oszillierende Bewegung der Membran und Suspension.
Wenn das Plasma durch die Membran gezogen wird, erhöht sich ferner
die WBC-Konzentration, was möglicherweise
zur Membranverstopfung beiträgt.
Die WBC-Konzentration kann durch Einführen eines Verdünnungsmittels
oder einer Waschflüssigkeit,
wie Blutplasma oder andere Medien, bei einem oder mehreren Eingabehähnen entlang
der Filtervorrichtung verringert werden.
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Der
Artikel von Chien et al. gibt an, daß eine kreisförmige Öffnungsfläche, die
sich zwischen RBCs und WBCs unterscheidet, in dem Bereich von 6
bis 15 Mikron2 liegt, basierend auf der
Beobachtung, daß eine Membran
mit Poren von 6,9 Mikron Durchmesser Blut frei durchließen; während Membranen
mit Poren von 4,5 Mikron Durchmesser Blut mit einem sich langsam
erhöhenden
Druck infolge von progressivem Verstopfen der Poren durchließen und
eine Membran mit Poren von 2,6 Mikron Durchmesser anfangs mit WBCs
verstopften. Infolgedessen wird angenommen, daß Poren, die ungefähr 1,8 Mikron
bis 3,5 Mikron mal ungefähr
8,0 Mikron bis 12,0 Mikron messen, RBCs durchlassen werden, aber
WBCs unter entsprechenden Kombinationen von Fließgeschwindigkeiten, RPM und
Transmembrandruck (für
eine Couette-Vorrichtung), oder tangentialer Fließgeschwindigkeit,
pulsierender Frequenz und Amplitude und Transmembrandruck (für eine Duggins-Vorrichtung)
für die
spezielle Quellsuspension (z.B. Vollblut, Leukozyten- und Thrombozytenschicht
oder Suspensionen mit niedrigem Hämatokritgehalt in Zellwaschanwendungen)
zurückhalten.
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Automatisierte
Kontrollsysteme zum Kontrollieren der Expositionszeit und -kraft
von Blutsuspensionen gegen eine mikroporöse Membran in rotierenden Filtervorrichtungen
werden in US-Patenten Nr. 4,879,040 und 5,069,792 von Prince et
al., und US-Patent Nr. 4,994,188 von Prince gezeigt, wobei alle
denselben Vertreter wie die vorliegende Erfindung haben. Diese Systeme
werden in automatisierter Apherese verwendet, um den Membranströmungswiderstand
des Wegwerffilters für
das Spenderplasma zu messen, und Kontrollkurven zu definieren (US-Patent
Nr. 4,879,040), RPM-Werte zu kontrollieren (US-Patent Nr. 4,994,188)
und Oberflächen zu
kontrol lieren (US-Patent Nr. 5,069,792), um den Transmembrandruck
bei einem im wesentlichen sicheren Wert für das Quellbluthämatokrit
und die Quell- und Filtratfließgeschwindigkeiten
zu halten. Dieser maximale sichere Wert stellt im wesentlichen maximalen
Plasmadurchsatz bereit, während
man innerhalb einer reversiblen Membranverstopfungsregion (worin
Blutzellen nahe der Membranporen den Druck beeinflussen, aber die Membran
nicht verstopfen) und unter einer irreversiblen Membranverstopfungsregion
(worin Blutzellen in den Membranporen gefangen sind die Membran
irreversibel verstopfen) innerhalb der vier Dimensionen Plasmafluß, Druck,
RPM und Blutfluß bleibt.
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Der
Widerstand gegen Blutfluß durch
die Filter mit sehr kleinen Poren erhöht sich schnell, wenn sich der
Porendurchmesser verringert. Folglich wird angenommen, daß „ovale" oder rechtwinklige
Poren signifikante Vorteile gegenüber kreisförmigen Poren haben können. Eine
ovale Pore mit einer Breite, die klein genug ist, um den Durchgang
von WBCs zu verhindern, weist einen signifikant größeren Querschnitt
als eine kreisförmige
Pore auf, die klein genug ist, um den Durchgang von WBCs zu verhindern.
Infolgedessen kann, während der
Widerstand gegen Fluß von
suspendierten RBCs viel niedriger für ovale Poren als für kreisförmige Poren sein
kann, der lokale Druck auf eine WBC verringert werden.
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Die
Filtermembranen 100, wie in den 1 bis 5 gezeigt,
können
in vielen unterschiedlichen Filtrationssystemen eingesetzt werden,
einschließlich
statischer Filtration, Rührfiltration,
Kreuzströmungsfiltration,
Vibrationsfiltration und Couette-Strömungs-Filtration.
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Ein
Filtersystem 10, wie in 8 gezeigt,
worin die Elemente nur im allgemeinen angegeben worden sind, stellt
ein Beispiel einer Blutabtrennungsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung im Kontext der Blutproduktsammlung bei Apherese bereit.
Vollblut wird von einem Spender durch eine Nadel 12 genommen. Wegwerfröhrchen werden
verwendet, um das Blut von dem Spender zu leiten, und es mit einem
Fluß an
Gerinnungshemmer aus einer Quelle 13 zu vereinigen. Eine
Bluteinspeisungspumpe 14, wie eine peristaltische oder
Druckrollenvorrichtung, speist den vereinigten Fluß, bei Betätigung durch
eine damit verbundene Blutpumpenkontrolle 16, in einen
Transmembrandrucksensor 18 und ebenso eine Wegwerfabscheidervorrichtung 20 ein.
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Der
Abscheider 20 liegt in Form eines Rotors 22 mit
magnetischen Elementen 23, die mit einem Ende eine Einheit
bilden und um eine zentrale Längsachse
in einem stationären
Gehäuse
oder Scheibenwand 24 drehbar sind, vor. Der Rotor 22 befindet
sich zwischen einem Paar von Positionierträgern 25, 26,
die entlang der Mittelachse voneinander beabstandet sind. Der obere
Träger 25 stellt
einen Positioniersitz für
einen nicht-rotierenden oberen Teil der Abscheidervorrichtung 20 bereit.
Am oberen Ende ist ein magnetischer Antrieb 27 enthalten
und ist magnetisch mit den magnetischen Elementen 23 verbunden,
die mit dem Rotor 22 eine Einheit bilden, und wird durch
einen Antriebsmotor 28 gedreht. Der untere Träger 26 nimmt
das untere Ende des stationären
Gehäuses 24 auf
und definiert eine Öffnung,
durch die ein Filtratauslaß 30,
der mit der Mittelachse koaxial ist, Plasma als Ausstoß unter
Verwendung einer präzisen
Kunststoffporenmembran, ähnlich
der, die in 5 für die Abtrennung von Plasma
von Vollblut dargestellt ist, bereitstellen kann.
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Alternativ
kann die Oberfläche
des Rotors 22 durch eine präzise Kunststoffporenfiltermembran 40 von dem
oben erläuterten
Typ abgedeckt werden, wie in 1 dargestellt,
die Oberflächenöffnungen
in dem Bereich von ungefähr
1,8 bis 3,5 Mikron mal ungefähr
6,0 bis 14,0 Mikron aufweist. Die Membran 40 weist einen Krümmungshalbmesser
auf, dessen Mitte mit der Rotationsachse des Rotors 22 übereinstimmt.
Die Filtermembran 40 kann mit einem Polyestermaschen-Trägermaterial
(nicht gezeigt) ausgestattet werden, um adäquaten Halt bereitzustellen.
Es wird angenommen, daß Scher-,
Turbulenz- und/oder Taylor-Wirbel (9), die in
der Lücke
zwischen dem Rotor 22 und dem Gehäuse 24 erzeugt werden,
wesentliches mischen und „zufälliges Anordnen" der RBC-Ausrichtung
in dieser Region verursachen werden. Jedoch kann, wie in 10 dargestellt,
eine dünne
Grenzschicht 30, die die Membranoberfläche 32 umgibt, eine
bevorzugt „ebene
Ausrichtung" nahe
der Oberfläche
verursachen. Dies kann durch einen radialen Einwärtsfiltratfluß 34 überwunden werden. „Ebene
Ausrichtung" tritt
auf, wenn die ebenen Oberflächen
der diskoiden RBCs 104 parallel zu einer ebenen Tangente
zu der Rotoroberfläche 32 sind.
Es kann daher eine bevorzugte Ausrichtung von Poren geben, die eine
Membrangestaltung wie in 3 einsetzt.
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In
einer Ausführungsform
ist die Filtermembran 40 bevorzugt an dem Rotor befestigt,
so daß die Hauptachse
der Poren parallel zu der Rotationsachse des Rotors 22 angeordnet
ist (d. h., wenn die Abscheiderrotationsachse vertikal ist, ist
die Hauptachse der Poren vertikal). Diese Orientierung der Poren
kann aufgrund der Wirkung der radialen Einwärtsfließkräfte vorteilhaft sein, die gewöhnlich den
führenden
RBC-Rand in die
Pore kippen können,
gekennzeichnet als vertikale Pore 36. Dies kann zu dem
geringsten radialen Einwärtswiderstand
gegen RBC-Fluß führen. Jedoch
verkompliziert die außergewöhnliche
komplexe Beschaffenheit der Fließmuster, Taylor-Wirbel, Flüssigkeitsgrenzschichten,
RBC-Dynamiken und Einfluß auf
den Einwärtsradialfluß eine analytische
Beschreibung. Es hat sich als am besten erwiesen, die Porenhauptachse
normal zu der Drehachse zu orientieren, gekennzeichnet in Figur 10 als
horizontale Pore 38 (in einer zweiten Ausführungsform),
oder das abwechselnde Porenmuster (in einer dritten Ausführungsform)
kann am effektivsten Membranen wie in 1 und 2 einsetzen.
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Unter
der Membran 40 wird die Rotoroberfläche konfiguriert, um eine Vielzahl
von Ringnuten 42 zu definieren, die durch Längsnuten 44 miteinander
verbunden sind, die wiederum über
Radialleitungen 46 mit einem zentralen Verteiler 48 kommunizieren.
Der Verteiler 48 ist durch eine Endverschluß- und Lageranordnung
(nicht ausführlich
gezeigt) mit dem Filtratauslaß 30 verbunden.
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Blut
vom Spender wird in den Raum zwischen Rotor 22 und Innenwand
des konzentrischen Gehäuses 24 über einen
tangentialen Quelleinlaß 50,
der durch eine flexible Rohrleitung (nicht ausführlich gezeigt) mit der Bluteinlaßpumpe 14 verbunden
ist, eingespeist. Ein Konzentratfluß wird aus einer tangentialen
Auslaßöffnung 52 entnommen,
die von dem Einlaß entlang
der Längsachse
der Abscheidervorrichtung 20 beabstandet ist. Die flexible
Rohrleitung (ebenso nicht ausführlich
gezeigt) verbindet den Auslaß 52 durch
eine peristaltische Pumpe 53, betrieben durch eine Kontrolle 54,
mit einem Speicher 55. Der Betrieb des Abscheiders 20 kann
dadurch von dem Spender isoliert werden.
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Die
Abscheidervorrichtung 20 extrahiert RBCs (und Blutplättchen und
Plasma) aus dem Vollblutfluß durch
die Membran 40. RBCs und Blutplättchen fließen durch die Membran 40 in
die Ring- und Längsnuten 42, 44 auf
der Rotoroberfläche 22 und
dann in den zentralen Verteiler 48 über die Radialleitungen 46.
Die gesammelten RBCs und Blutplättchen
in dem zentralen Verteiler 48 strömen durch den Filtratauslaß 30 zu
dem Sammelbehälter 62.
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Ungeachtet
des verwendeten Filtrationsverfahrens, um hohe Fließgeschwindigkeiten
durch den Filter zu erhalten, ist es notwendig, Verstopfen oder
Verschmutzen der Filtermembran durch Teilchen, die zu groß sind,
daß sie
durch die Poren passen, oder durch aktivierte oder gerinnende Blutelemente
zu verhindern. Dieses Verstopfen oder Verschmutzen kann verhindert
oder zumindest minimiert werden, indem ein Fluß der Suspension über die
Oberfläche
der Filtermembran, wie in 6 gezeigt,
geleitet wird. Nur beispielhalber kann dies durch Verwendung der
Vorrichtung, die in dem oben erläuterten
Schoendorfer-Patent offenbart wird, erreicht werden. Alternativ
kann der Transmembrandruck, wie in 7 gezeigt,
durch Einsetzen eines sich hin- und
herbewegenden pulsierenden Flusses oszilliert werden, wie in dem
oben erläuterten
Duggins-Patent gezeigt. Alternativ kann die Filtermembran selbst
oszilliert werden.
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11 stellt
ein zelluläres
Suspensions-Konzentrationssystem dar (ähnlich dem, das in US-Patent
Nr. 5,234,608 offenbart ist, das denselben Vertreter wie die vorliegenden
Erfindung hat), das vorteilhafterweise die Erfindung der vorliegenden
Anmeldung nutzen kann. Das '608-Patent
offenbart eine einzelne zelluläre
Konzentration unter Verwendung von Blutplättchenkonzentration, und ist
ebenso eingesetzt worden, um eine Suspension aus einer Vielzahl
von Zelltypen abzutrennen oder zu waschen (wie RBCs, WBCs und Blutplättchen), um
die WBCs unter Verwendung von beispielsweise spurgeätzten Membranen
mit einem Durchmesser von 3,8 Mikron zu isolieren (d. h., Auswaschen
der Blutplättchen
und RBCs).
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Die 12a–c
zeigen die ungefähren
relativen Größen von
RBCs und Blutplättchen
in bezug auf die kleinsten WBCs, die wünschenswerterweise erhalten
werden sollen, und zeigen graphisch, daß ein Porendurchmesser von
4,0 Mikron (12b) – der notwendig ist, um im
wesentlichen alle WBCs zu blockieren – hohen Widerstand gegen den
Fluß von
RBCs zeigt. Poren mit 5,0 Mikron (12c)
lassen jeweils RBCs hindurch, aber ebenso leicht kleine WBCs. Das
Verringern der kreisförmigen
Porengröße auf 3,0
Mikron (12a) blockiert im allgemeinen
alle WBCs, aber inhibiert ebenso größtenteils den Durchgang von
RBCs. Dieses System stellt ein anderes besonders geeignetes Beispiel
für die
Anwendung der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von beispielsweise
dem Porenmuster von 4 bereit.
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Betrachtet
man erneut 11, kann eine Menge an mononuklearem
Zellpräparat 136 erhalten
werden, beispielsweise von einem Spender oder Patienten während einer
Apheresesitzung auf einem Zentrifugalzellabscheider, wie Baxter
CS-3000. Dieses Produkt enthält
wünschenswerte
mononukleare Zellen (WBCs) und einige unerwünschten RBCs und Blutplättchen.
Die Pumpe 182 führt
das mononukleare Zellpräparat (MNC)
zu dem Spinnmembranabscheider 148, der beispielsweise bei
3600 U/min über
Rohrleitungswege 168 und 142 bei einer Fließgeschwindigkeit
von beispielsweise 70 ml/min betrieben wird. Das anfängliche
Volumen von MNC kann beispielsweise 500 ml betragen und enthält beispielsweise
3,8 × 104 WBC/Mikroliter, 3,3 × 105 RBC/Mikroliter
und 1,9 × 106 Blutplättchen/Mikroliter.
-
Eine
Fraktion der unerwünschten
Blutplättchen
und RBCs wird durch die Membran 114 in Filtratrohrleitung 166 und
in den Abfallsack 180, der den Abfall 138 enthält, geführt. Dies
hinterläßt eine
konzentrierte Suspension, die eine höhere WBC-Konzentration als die Einlaßkonzentration 142 aufweist.
Die konzentrierte Suspension wird von der Vorrichtungslücke 140 durch
die Konzentratöffnung 144 und
Rohrleitung 164 durch die Pumpe 174 abgezogen
und zurück
in den Behälter 176 geführt.
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An
einem Punkt in diesem Verfahren, wie wenn das Volumen der konzentrierten
Suspension beispielsweise 75 ml beträgt, wie durch die Waage 184 gemessen,
beginnt das System in einer „rezirkulierenden
Weise" zu arbeiten,
was die konzentrierte WBC-Suspension 136 aus dem Behälter 176 abzieht,
Verdünnungsmittelwaschflüssigkeit 132 zufügt, die
Suspension filtriert, RBCs, Blutplättchen, Plasma und Waschflüssigkeit durch
die Filtratrohrleitung 166 als Abfall 138 entfernt.
Die Waschflüssig keit 132 kann
durch die Pumpe 172 und Rohrleitung 162 in den
Einlaßfluß in die
Rohrleitung 142 eingeführt
werden. Die Fließgeschwindigkeit
der Waschflüssigkeit
kann beispielsweise ungefähr
70 ml/min betragen.
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Die
Abfallfließgeschwindigkeit
der entfernten RBCs, Blutplättchen,
Plasma und Waschflüssigkeit
ist die Nettogeschwindigkeit von: (Rate der Pumpe 182 +
Rate der Pumpe 172 – Rate
der Pumpe 174) und kann beispielsweise 70 ml/min mit der
Pumpe 174 betragen, die bei 70 ml/min betrieben wird. Ein
Kontrollsystem kann beispielsweise eingestellt werden, um das Volumen
im Behälter 176 bei
einem vorbestimmten Volumen von 300 ml durch Modulieren der Pumpe 172, 182 oder 174 oder
eine Kombination davon in bezug auf die Waage, die mehr oder weniger
als das Zielvolumen abliest, zu halten. Nach einer kurzen Zeit,
in der beispielsweise 300 ml der Waschflüssigkeit verbraucht worden
sind und die schließlich
konzentrierte WBC-Suspension 136 getrennt
wird, kann ein exemplarisches Endprodukt 6,4 × 104 WBC/ml,
2 × 105 RBC/ml und 9,7 × 104 Blutplättchen/ml
enthalten. In diesem Beispiel war die Wirksamkeit der Blutplättchenentfernung
sehr hoch, wobei das Plt/WBC-Verhältnis in
der ursprünglichen
Lösung
etwa 50 : 1 und das Plt/WBC-Verhältnis
in dem Endprodukt etwa 1,5 : 1 betrug. Das RBC/WBC-Verhältnis in
diesem typischen Beispiel wurde von 8,7 auf 3,1 für einen RBC/WBC-Kontaminations-Reduktionsfaktor
von 8,7/3/1 = 2,8 verringert.
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Durch
das Gleichhalten aller Fließparameter
(d. h., ohne weitere Optimierung) und nur Verändern von der spurgeätzten Polycarbonatmembran
mit einer kreisförmigen
Pore von 3,8 Mikron, 7% Porosität
mit ungefähr
0,1% Dublett, zu einer erfindungsgemäßen Membran (beispielsweise
die, die in 4 gezeigt ist) wird der obige
RBC/WBC-Kontaminations-Reduktionsfaktor von 2,8 im wesentlichen
aufgrund der Form- und Deformierbarkeitsselektivität, Mangel
an Dubletts und hoher Porosität
in der erfindungsgemäßen Membran
erhöht, und
die Waschverfahrenszeit wird wesentlich aufgrund des ungefähren 3,4
: 1-Verhältnisses
in den Membranporositäten
verringert.
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Mit
erneutem Bezug auf 5 werden exemplarische Toleranzwerte
in den Membranmerkmalen gezeigt. Unter Verwendung der zuvor erläuterten
Mikrostrukturher stellungsverfahren werden Filtrationsmembranen,
die diese Größen- und
Porenpositioniertoleranzen erfüllen,
zu Null-Dubletts oder einander nicht entsprechenden Poren führen. In
dieser Weise können
außergewöhnlich reine
Filtrate erwartet werden. In bestimmten Anwendungen, wie RBC-Transfusionsproduktfiltrierung,
um mögliche
infizierte WBCs zu entfernen, wird die Produktreinheit unter Verwendung
der Membranstrukturen hierin ohne Dublettporen wesentlich verbessert. Außerdem erlaubt
die hohe Porosität
der erfindungsgemäßen Membranen
Filtratfließgeschwindigkeiten,
die mit Membranen des Standes der Technik vergleichbar sind, während wesentlich
weniger Membranflächen
verwendet werden – wie
nur etwa 10% bis 30. Bei Systemen, einschließlich Couette-Strömungs-Abtrennung
mit hochkonzentrierten Blutzellen in der Lücke (wie RBC-Sammlung, Blutplättchensammlung
oder Plasmaphorese) für äquivalente
Scherrateniveaus werden die Blutzellenexpositionszeiten entsprechend
verringert – wie
auf weniger als etwa 20% der Systeme des Standes der Technik. Die
Zellexpositionszeit in einer Scherumgebung (z.B. die Lücke in einem
rotierenden Membranfilter) beeinflußt stark die RBC-Hämolyse und
Blutplättchenaktivierung.
Folglich werden diese durch die Verwendung der vorliegenden Erfindung
wesentlich verringert.
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Während die
Erfindung in erster Linie in bezug auf das Abtrennen von Blutkomponenten
beschrieben worden ist, gibt es keine Absicht, die Erfindung auf
selbiges zu beschränken.
Tatsächlich
sind die Prinzipien der Erfindung auf die Abtrennung von irgendeiner
Suspension, deren Bestandteile ausreichend ausgeprägte Größen-, Form-
und/oder Deformationseigenschaften aufweisen, anwendbar.
