DE69834397T2

DE69834397T2 - Vorrichtung zum Austreiben von Fluiden

Info

Publication number: DE69834397T2
Application number: DE69834397T
Authority: DE
Inventors: Glen Marlboro Jorgensen; Donald Norwood Barry; Bruce H. Marlboro Edwards; Jeremy Ashland Fennelly; John P. Brighton O'Brien; Victor Jr. Revere Sacco; Roy E. III Worchester Martin; Mark Weston Susser
Original assignee: ZymeQuest Inc
Current assignee: ZymeQuest Inc
Priority date: 1997-05-20
Filing date: 1998-05-20
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2018-05-21
Also published as: JP2001521434A; JP2000186771A; DE69834397D1; DE69827019D1; US20060040818A1; AU7690698A; US7594663B2; JP3432473B2; JP3499790B2; DE69827019T2; EP1011752A2; JP3426175B2; JP2000193669A; US20010002743A1; DE69837541T2; JP3516400B2; DE69837541D1; DE69834185T2; US6425414B2; JP3510994B2

Description

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum selektiven Ausgeben von Fluidmaterialien aus einem Behälter, beispielsweise zur Verwendung in automatisierten, interaktiven Zellenverarbeitungssystemen.
Zellenverarbeitung schließt Schritte ein, worin Zellen oder Zellen-Elemente mit unterschiedlichen Prozesschemikalien behandelt werden oder gewaschen werden und dann von einer flüssigen Phase abgetrennt werden. Zum Beispiel werden beim Präparieren von gefrorenen Erythrozyten zur Transfusion Erythrozyten aus Tieftemperaturkonserven und von anderen Blutkomponenten wie weißen Blutzellen, Blutplättchen und subzellulären Bruchstücken abgetrennt. Der gesamte Prozess muss unter sterilen Bedingungen durchgeführt werden, die das Risiko der Kontamination minimieren. Außerdem wird Vollblut in seine verschiedenen therapeutischen Komponenten wie rote Blutkörperchen, weiße Blutkörperchen, Blutplättchen und Plasma getrennt, welche später übertragen werden. Es gibt unterschiedliche Zellenverarbeitungssysteme, die biologische Zellen auf eine automatisierte oder teilautomatisierte Art und Weise verarbeiten. Diese Systeme können eine Steuerung verwenden, die an verschiedene Sensoren und Ventile angeschlossen ist, zur Kontrolle des Prozesses und zur Unterstützung eines Bedieners, um die Verarbeitungseffizienz zu maximieren. Jedoch passen diese Systeme den Prozess nicht basierend auf der Menge oder dem Typ der verarbeitenden Zellen oder unterschiedlichen Verarbeitungsbedingungen interaktiv an.
Krankenhäuser benötigen eine konstante Blutversorgung für Transfusionen. Nachdem Spender Blut bereitstellen, sind regionale Blutzentren verantwortlich für AB0-Typisierung, Testen auf Infektionskrankheiten, Komponentenherstellung und Verteilung von roten Blutkörperchen an Krankenhäuser. Die Krankenhäuser testen erneut die Blutgruppe A, B, AB, 0 und führen Kreuzproben für die verfügbaren Bluteinheiten mit den entsprechenden Patienten durch. Da Blut der Gruppe 0 universell übertragen werden kann, gibt es eine große Nachfrage nach Blut der Gruppe 0 allgemein und besonders in Notfallsituationen, wo die Verzögerung verursacht durch Typisierung und Anpassung nicht akzeptabel ist. Weiterhin hat das verarbeitete Blut eine relativ kurze Haltbarkeitsdauer von 42 Tagen, nach der es nicht übertragen werden darf. Das Ausgleichen des Lagerbestands von roten Blutkörperchen ist außerordentlich komplex. Auf einer täglichen Basis müssen die regionalen Blutzentren die Nachfrage nach unterschiedlichen Blutgruppen mit dem verfigbaren Angebot abgleichen, das in den Blutzentren und in den Örtlichkeiten der Krankenhauskunden überall im Landstrich gehalten wird. Die einzelnen Bluteinheiten werden ständig innerhalb des Systems verschoben, um die tägliche Schwankung bei Angebot und Nachfrage anzupassen. Tatsächlich werden einzelnen Einheiten häufig drei bis vier Mal innerhalb des Systems verschoben, bevor sie endlich übertragen werden. Selbst bei den höchsten Anstrengungen der Teilnehmer sicher zu stellen, dass jede gesammelte Einheit letztendlich übertragen wird, veralten 4% bis 8% aller gesammelten Einheiten vor der Transfusion und müssen verworfen werden. Ein Verarbeitungssystem, das Blut vom Typ A, B oder AB reproduzierbar zu Typ 0 konvertieren würde, würde einen kritischen Bedarf auf diesem Gebiet befriedigen. Die Verfügbarkeit von Blutzellen vom Typ 0 würde die Verfügbarkeit von roten Zellen verbessern, das Veralten von roten Zellen verursacht durch die Unfähigkeit, Einheiten mit Empfängern innerhalb des 42-Tage-Ablauffensters abzugleichen, im Wesentlichen vermindern, die Notwendigkeit für den häufigen Versand von Bluteinheiten, um das tägliche Angebot und die tägliche Nachfrage abzugleichen, verringern, und die Notwendigkeit für ein erneutes Testen auf den Bluttyp verringern.
Das US-Patent Nr. 3,737,096 offenbart eine Blutverarbeitungskontrollvorrichtung zum Waschen von Blutzellen. Die offenbarte Vorrichtung beinhaltet eine Zentrifuge, die einen flexiblen Blutbehälter verbunden durch ein rotierendes Dichtungsrohr aufweist, dass den Eintritt und Austritt von Waschlösung und Überstand erlaubt.
Das US-Patent Nr. 4,722,790 offenbart einen biegsamen komprimierbaren flüssigkeitsundurchlässigen Beutel. Der Beutel beinhaltet eine Struktur, die eine Beutelapertur für die Kommunikation mit der Innenseite des Beutels definiert. Eine Vielzahl von Beads ist in dem Beutel positioniert, und die Beads sind kovalent mit einem Binder gekoppelt. Ebenfalls offenbart ist ein Verfahren zur Flüssigkeitsmodifikation, dass das Installieren des wasserundurchlässigen Beutels in einem Zentrifugenkugel einschließt. Die Kugel wird geschleudert, um die Flüssigkeit mit den Beads zu mischen.
In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird daher eine Vorrichtung zum selektiven Ausgeben von einem oder mehreren ausgewählten Fluidmaterialien aus einem Fluidbehälter bereitgestellt, wobei die Vorrichtung in Anspruch 1 unten definiert ist.
Bevorzugte Merkmale dieser Ausführungsform sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben, und anderswo in der Anmeldung.
Die dehnbare Einschließung umfasst vorzugsweise eine flexible Membran, die abdichtbar an eine Oberfläche des Rotors angelagert ist, so dass die Zentrifugen-Kammer in eine erste Kammer zur Aufnahme des Fluid-Behälters und eine zweite Fluiddichte-Kammer zur Aufnahme des Expressor-Fluids eingeteilt wird. Die flexible Wand der dehnbaren Einschließung umfasst typischerweise ein elastisches Folienmaterial. Der Apparat schließt weiter typischerweise einen Heizungsmechanismus ein mit einem Kontrollmechanismus für die selektive Kontrolle der Temperatur des Expressor-Fluids.
Wegen seiner hohen Dichte wandert das Expressor-Fluid, welches in die dehnbare Einschließung hineingepumpt wird, an eine Position auf dem Umfang innerhalb der dehnbaren Einschließung, welche radial weiter auswärts ist von der Mittelachse als eine Umfangposition, zu welcher das eine oder die mehreren ausgewählten Fluid-Materialien in dem Fluid-Behälter wandern, wenn der Rotor antreibbar um die Mittelachse herum rotiert wird.
Der Fluid-Behälter hat typischerweise einen ersten Radius und die zweite Fluid-dichte Kammer hat typischerweise einen zweiten Radius, welcher mindestens gleich dem ersten Radius des Fluid-Behälters ist, worin das Expressor-Fluid, welches in die zweite Fluid-dichte Kammer gepumpt wird, zu einer äußersten Umfangsposition wandert innerhalb der zweiten Fluid-dichten Kammer, welche von der Mittelachse radial weiter auswärts ist als eine Umfangsposition, zu welcher das eine oder die mehreren ausgewählten Fluid-Materialien in dem Fluid-Behälter wandern, wenn der Rotor antreibbar um die Mittelachse herum rotiert wird.
Ausführungsformen werden nun nur anhand von Beispielen beschrieben mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, in denen:
1 ist eine perspektivische Ansicht eines interaktiven Zellenverarbeitungssystems.
2 ist ein begriffliches Flussdiagramm, das den Betrieb eines interaktiven Zellenverarbeitungssystems anzeigt.
3 ist ein Blockdiagramm des interaktiven Zellenverarbeitungssystems von 1.
4 und 4A zeigen ein Flussdiagramm von einem Prozess für die enzymatische Umwandlung von roten Blutkörperchen.
5 ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Sensors, der in einem Zellenverarbeitungssystem von 1 verwendet wird.
6 ist ein schematisches Diagramm der Elemente, die in dem optischen Sensor von 5 verwendet werden.
7 ist eine perspektivische Ansicht eines Fluidverteilungsmoduls einschließlich einer Teilansicht des optischen Sensors von 5.
8 ist eine teilweise Explosionsdarstellung des Fluidverteilungsmoduls von 7 mit einer anderen Ansicht des optischen Sensors von 5.
9 ist eine weitere Explosionsdarstellung des Fluidverteilungsmoduls von 6, die eine Pumpen-Ventil-Anordnung, ein Gehäuse, einen Fluid-Verteiler, ein Verbindungsstück und Federknöpfe von 8 zeigt.
10 ist eine vordere Draufsicht des Verteilers von 7–9 und eine schematische Ansicht einer Pumpe und eines Filters.
10A ist eine Explosionsdarstellung des Verteilers und des Filters von 10.
11 ist eine Explosionsdarstellung des Verteilers und des Verbindungsstücks von 7–10.
12 ist eine rückwärtige Draufsicht der Frontplatte des Verteilers von 11.
13 ist eine rückwärtige Draufsicht der Membran des Verteilers von 11.
14 ist eine Querschnittsansicht von 8, genommen entlang Linie 12-12.
15 und 16 sind vordere bzw. obere Draufsichten des Verbindungsstücks von 7–9.
17 ist eine perspektivische Ansicht eines Mehr-Kammer-Beutels, der durch Rohrleitung an das Verbindungsstück von 15 und 16 angeschlossen ist.
18 ist eine linksseitige perspektivische Ansicht des Systems von 1.
19 ist eine isometrische Explosionsdarstellung von Komponenten einer Teilbaugruppe, die verwendet wird zum Auspressen ausgewählter Fluid-Materialien, die in einem flexiblen Behälter angeordnet sind.
20 ist eine isometrische Explosionsdarstellung von einigen der Elemente, die in 19 gezeigt sind.
21 ist eine seitliche Querschnittsansicht von bestimmten Komponenten der Expressor-System-Teilbaugruppe, die in 19 gezeigt ist, genommen entlang einer Ebene, welche keine der Fluid-Fluss-Rinnen 410 in Spannkopf 408 schneidet.
22 ist eine andere seitliche Querschnittsansicht von bestimmten Komponenten der Expressor-System-Teilbaugruppe, die in 19 gezeigt ist, genommen entlang einer Ebene, welche keine der Fluidfluss-Rinnen 410 in Spannkopf 408 schneidet.
23 ist eine schematische seitliche Querschnittsansicht der Ansicht von 22, die die flexible Membrankomponente 411 zeigt, die anfänglich zu Beginn eines Verarbeitungszyklus entlang der gekrümmten Oberfläche der schalen- oder ringförmigen Trennkammer 421 von Spannkopf 408 eingesetzt wird.
24 ist eine vergrößerte seitliche Quersschnittsansicht eines Abschnitts von 23, die die Expressor-Fluidkammer 420 zeigt, die teilweise mit Expressor-Fluid gefüllt ist, in einem späteren Stadium in einem typischen Verarbeitungszyklus.
25 ist eine Ansicht von 24 in einem noch späteren Stadium eines typischen Verarbeitungszyklus, die die Expressor-Fluidkammer 420 zeigt, die in einem größeren Ausmaß/mit einem größeren Volumen gefüllt ist, als die Kammer in 24 gefüllt ist.
26 ist eine andere schematische seitliche Querschnittsansicht der Expressor-System-Teilbaugruppe von 18–25, die zusätzliche Komponenten zeigt, durch welche Expressor-Fluid zugeführt wird von einer Pumpquelle durch eine zentrale Antriebswelle, welche rotierbar angetrieben wird.
27 ist eine isometrische Ansicht der Komponenten von 19 in zusammengebauter Form.
28 ist eine isometrische Explosionsdarstellung einer rotierenden Dichtung, die in Zusammenhang mit einem Expressor-System verwendet wird.
29 ist eine isometrische Ansicht der Komponenten von 28 in zusammengebauter Form.
30 ist eine auseinander gezogene seitliche Querschnittsansicht der rotierenden Dichtungskomponenten von 28.
31 ist eine Querschnittsansicht des rotierenden Dichtungsapparates.
32 ist eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht von oben des rotierenden Dichtungsapparats und des Verarbeitungsbehälters.
33 ist eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht von unten des rotierenden Dichtungsapparates.
Bezugnehmend auf 1 und 3 umfasst ein interaktives Zellenverarbeitungssystem 10 ein Zellen-Modul 12, ein Zuführungsmodul 20, ein Fluidverteilungsmodul 40, ein Verarbeitungsmodul 60, ein Sammel-Modul 70 (nicht gezeigt in 1) und ein Steuermodul 80. Diese Module sind operativ miteinander verbunden für die Verarbeitung von biologischen Zellen in einer sterilen Umgebung. Zellen-Modul 12 ist ausgebildet für eine kurzfristige oder langfristige Lagerung von biologischen Zellen für die Verarbeitung. Zuführungsmodul 20 schließt mehrere Behälter ein zum Lagern unterschiedlicher Prozesschemikalien einschließlich Salzlösung oder anderer Fluide, die zum Waschen der verarbeiteten Zellen verwendet werden, und schließt außerdem sterile Luft ein. Die Behälter sind mit dem Fluidverteilungsmodul 40 durch einen Satz von Leitungen verbunden. Das Fluidverteilungsmodul 40 schließt mehrere Ventile und Sensoren ein für die Abgabe gesteuerter Mengen der Prozesschemikalien von Zuführungsmodul 20 an Verarbeitungsmodul 60 und für die Abgabe einer bekannten Menge der biologischen Zellen von Zellen-Modul 12 an Verarbeitungsmodul 60. Außerdem ist das Fluidverteilungsmodul 40 ausgebildet, um den Prozessabfall von Verarbeitungsmodul 60 zu einem Abfall-Behälter 72 und die verarbeiteten Zellen zu einem Zellenlagerbehälter 74 zu leiten, welche sich beide in Sammel-Modul 70 befinden, während die Reinheit und Sterilität der Zellen beibehalten wird. Das Steuermodul 80 leitet den gesamten Prozess gemäß eines ausgewählten Algorithmus.
Im Allgemeinen ist der Betrieb von Zellenverarbeitungssystem 10 in 2 gezeigt. Steuermodul 80 führt einen Verarbeitungsalgorithmus aus, der anfänglich ausgewählt wurde (98). Steuermodul 80 schließt eine logische Steuereinheit ein, die Echtzeitdaten von mehreren In-line Sensoren empfängt, die in einer Verarbeitungsschleife angeordnet sind. Ein Massensensor (oder ein Volumensensor) misst die Anfangsmenge der bereitgestellten biologischen Zellen (94) und sendet die Daten an Steuermodul 80. Steuermodul 80 steuert die Menge der Zellen, die an Verarbeitungsmodul 60 abgegeben wird in Übereinstimmung mit dem Verarbeitungsalgorithmus. Basierend auf der bereitgestellten Menge der biologischen Zellen berechnet Steuermodul 80 außerdem die einzelnen Dosen der Prozesschemikalien (100) und weist einen Satz von Steuerventilen an, die Chemikalien in einer ausgewählten Reihenfolge an Verarbeitungsmodul 60 abzugeben (102), wieder in Übereinstimmung mit dem Verarbeitungsalgorithmus.
Steuermodul 80 führt iterativ den Verarbeitungsalgorithmus aus. Steuermodul 80 empfängt Daten von den einzelnen Sensoren (z.B. einem Gewichtssensor, einem Volumensensor, einem Temperaturensensor, einem optischen Sensor, einem Widerstands- oder Kapazitätssensor, einem Strömungssensor, einem Drucksensor oder einem anderen Sensor, die angeordnet sind, um das überführte Material in einem flüssigen, gasförmigen oder festen Zustand zu überwachen). Nach Abgabe der ausgewählten Menge einer oder mehrerer Prozesschemikalien an Verarbeitungsmodul 60 reguliert Steuermodul 80 die Temperatur und die Zeit der Verarbeitung und weist das Verarbeitungsmodul an, die Zellen mit den Prozesschemikalien zu schütteln, zu mischen oder anderweitig zu behandeln. Je nach Verarbeitungsalgorithmus kann Steuermodul 80 einen oder mehrere Verarbeitungszyklen handhaben. Am Ende jedes Zyklus kann Verarbeitungsmodul 60 die verarbeiteten Zellen von Zwischenprodukten und von dem Prozessabfall abtrennen. Während des Trennprozesses detektiert Fluidverteilungsmodul 40 die Fluidkomponente, die gerade aus Verarbeitungsmodul 60 ausgepresst wird, und leitet die abgetrennten Komponenten in unterschiedliche Behälter zur Entsorgung (110) oder zur Lagerung (112). Jeder Verarbeitungszyklus kann eine andere Prozesschemikalie und unterschiedliche Verarbeitungsbedingungen verwenden. Zellenverarbeitungssystem 10 kann auch verschiedene Typen von Zellen gleichzeitig oder nacheinander verarbeiten. Außerdem kann Zellenverarbeitungssystem 10 biologische Zellen teilweise verarbeiten und sie dann in Zellenlagerbehälter 74 (gezeigt in 3) lagern, welcher ein Temperaturkontrollsystem einschließen kann. Die verarbeiteten Zellen können später automatisch aus Zellenlagerbehälter 74 abgegeben und unter Verwendung eines anderen Verarbeitungsalgorithmus verarbeitet werden. Die verarbeiteten Zellen können außerdem vor einer anderen Verwendung in Kultur aufgezogen werden.
Basierend auf dem Anfangsgewicht der biologischen Zellen berechnet die Steuereinheit die Dosierung der Prozesschemikalien. Zuführungsmodul 20 schließt einen Gewichtssensor 29 ein zum Bereitstellen des Gewichts von jeder Prozesschemikalie für die Steuereinheit. Während des Prozesses bestätigt die Steuereinheit, dass die korrekte Menge von jeder Prozesschemikalie überführt worden ist, indem sie die Änderung zwischen dem Gewicht der Prozesschemikalie, die in Zuführungsmodul 20 gelagert ist, und dem Anfangsgewicht der Chemikalie misst. Die Prozesschemikalien in einem fließfähigen Zustand werden durch ein 0,2-Mikron-Filter gepumpt, um Sterilität sicherzustellen. Ein Druckwandler ist hinter dem Filter angebracht. Falls die Fluide, die gerade durch das Filter gepumpt werden, eine veränderliche Viskosität haben, wird die Steuereinheit die Pumpgeschwindigkeit anpassen, um einen konstanten Druckabfall über der Filtermembran zu ergeben.
Verarbeitungsmodul 60 ist gestaltet, um identische Verarbeitungsbedingungen (z.B. Druck, Temperatur, Mischung, Verarbeitungszeit oder andere) für große und kleine Mengen der biologischen Zellen, die für die Verarbeitung bereitgestellt werden, sicherzustellen. Deswegen schließt Verarbeitungsmodul 60 eine Verarbeitungskammer ein, die eine variable Volumengestaltung aufweist. Abhängig von dem Volumen der verarbeiteten Zellen und der anderen Prozesschemikalien, die in die Verarbeitungskammer überführt werden, ändert die Steuereinheit das Kammervolumen. Die Volumenänderung wird erreicht durch eine bewegliche Wand, die eine Membran sein kann. Verarbeitungsmodul 60 schließt einen weiteren Drucksensor ein zum Messen des Drucks innerhalb der Verarbeitungskammer und schließt außerdem einen Temperatursensor ein zum Messen der Temperatur innerhalb der Verarbeitungskammer. Basierend auf den Daten des Temperatursensors kann ein Wärmeübertragungssystem Wärme bereitstellen oder aus der Verarbeitungskammer entfernen.
Zellenverarbeitungssystem 10 kann Zellen und/oder Zellen-Elemente aus verschiedenen Flüssigkeiten oder Feststoffen verarbeiten oder abtrennen. Solche Zellen oder Zellen-Elemente umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Erythrozyten (d.h. rote Blutkörperchen); Leukozyten (d.h. weiße Blutkörperchen einschließlich Lymphozyten, Granulozyten und Monozyten); Blutzellenvorläufer (z.B. primitive Stammzellen, Burst forming units (Vorläuferzellen für Erythrozyten), Retikulozyten, Megakaryozyten usw.); Zellfragmente (z.B. Blutblättchen, subzelluläre Elemente wie Kerne, Bruchstücke usw.); Epithelzellen; Endothelzellen; Mesothelzellen; Zellen von normalen Geweben (z.B. Leberzellen, Nierenzellen, Blasenzellen, Lungenzellen, Pankreaszellen, Embryonalzellen, Fetalzellen, usw.); Zellen von anormalen Geweben (z.B. maligne Zellen) und andere.
Bezugnehmend auf 3 schließt in einer Ausgestaltung des Zellenverarbeitungssystems Zellen-Modul 12 einen Gewichtssensor 14 ein, der angeordnet ist, um rote Blutkörperchen zu wiegen, die in einem PVC-Beutel 16 bereitgestellt werden. Rohrleitung 17 verbindet Beutel 16 mit einem Leukofilter 18 und mit Fluidverteilungsmodul 40. Zuführungsmodul 20 schließt einen Beutel 21 ein mit Enzym A1/B, einen Beutel 22 mit Enzym A2, einen Beutel 23 mit 140-mmoralem dibasischen Kaliumphosphat (DPP), einem Beutel 24 mit Polyehthylenglykol (PEG), einem Beutel 25 mit Lagerungslösung und einem Beutel 26 mit isotonischer Phosphat-Citrat-Lösung (PCI). Beutel 22, 23, ..., 26 sind aus Cryovac M312 gefertigt. Jeder Beutel ist durch Rohrleitung 28 mit Fluidverteilungsmodul 40 verbunden. Gewichtssensor 29 ist ausgelegt, um jedes der oben genannten Fluide, die sich in dem Zuführungsmodul 20 befinden, zu wiegen. Zuführungsmodul 20 umfasst auch einen Kompressor 30, der über einen Filter 31 und ein Rückschlagventil 32 mit einem Luftreservoir 33 verbunden ist, welches sterile Luft speichert, die für die Zellenverarbeitung verwendet wird. Druckschalter und Sensor 34 sind in Verbindung mit Luftrohrleitung 36, welche sterile Luft an einen Luftfilter liefert, der sich in Fluidverteilungsmodul 40 befindet. Ein Regler 37, der mit einem Magnetventil 38 verbunden ist, reguliert den Luftdruck, der für Fluidverteilungsmodul 40 und Verarbeitungsmodul 60 bereitgestellt wird. Fluidverteilungsmolekül 40 schließt eine Peristaltikpumpe 42 und zwölf Kolbenventile 43, 44, ..., und 54 ein, die mit einem Satz von Leitungen verbunden sind zum Verteilen der Prozesschemikalien und der Zellen während des automatisierten Prozesses. Die logische Steuereinheit kann jede Kombination von den zwölf Ventilen schließen oder öffnen, um das Fluid, das innerhalb der Leitungen strömt, umzuleiten. Ein Drucksensor 55 misst den Fluiddruck während des Prozesses, und ein optischer Detektor 58 überwacht das Fluid zu und von Verarbeitungsmodul 60. Verarbeitungsmodul 60 schließt eine Zentrifuge 62 und ein Expressor-System 64 ein. Ein IR-Temperatursensor 66 überwacht die Temperatur der Prozesschemikalien oder der Zellen, die sich innerhalb der Zentrifuge 62 befinden. Sammel-Modul 70 schließt einen Abfall-Beutel 72, einen Salzlösungsbeutel 73 und einen Produkt-Beutel 74 ein. Sammel-Modul 70 schließt außerdem einen Gewichtssensor 76 ein, der mit Produktbeutel 74 verbunden ist und angeordnet ist, um die verarbeiteten roten Blutkörperchen zu wiegen.
Die Steuereinheit steuert das Volumen der Verarbeitungskammer von Zentrifuge 62, um identische Verarbeitungsbedingungen für große und kleine Mengen der roten Blutkörperchen sicherzustellen. Die Verarbeitungskammer schließt eine flexible Wand ein, um Expressor-Fluid innerhalb der Verarbeitungskammer zu enthalten. Bei kleinen Volumina pump Expressor-System 64 Expressor-Fluid in die Kammer hinein, bis der Druckwandler an der Kammer den Voll-Zustand signalisiert. Dieser Vorfüllschritt stellt sicher, dass unterschiedliche Mengen von roten Blutkörperchen der gleichen akkumulierten Zentrifugalkraft und den gleichen mechanischen Beanspruchungen aufgrund von Verdichtung unterworfen werden. Ansonsten würden kleinere Mengen länger gedreht und fester verdichtet werden, wenn das Expressor-Fluid die Verarbeitungskammer während des Auspressschritts füllt.
Während des Prozesses empfängt Steuereinheit ein Eingabesignal von IR-Temperatursensor 66, welcher die Temperatur der roten Blutkörperchen misst. Falls die Temperatur kleiner ist als der Sollwert, erhöht der Expressor von System 64 die Temperatur des Expressor-Fluids. Umgekehrt, falls die Temperatur größer ist als der Sollwert, erniedrigt der Expressor von System 64 die Temperatur des Expressor-Fluids. Ein Regelkreis überwacht kontinuierlich die Temperatur der verarbeiteten Zellen.
Verarbeitungsmodul 60 schließt auch einen zweiten Druckwandler ein, der den Druck der sterile Luft an der Rotationsdichtung überwacht. Wenn die Dichtung funktioniert, schwankt dieser Druck nur leicht zwischen festgelegten Grenzen. Wenn der Druck unter den festgelegten Schwellwert fällt, wird ein Warnzustand initiiert, der eine Überprüfung der rotierenden Dichtung sowie anderer möglicher Fehlerursachen anfordert.
Expressor-Fluidsystem 64 schließt einen dritten Druckwandler ein, der den Druck des Expressor-Fluids misst, welcher ein indirektes Maß für den Druck auf die roten Blutkörperchen ist. Die Steuereinheit passt die Expressor-Pumpengeschwindigkeit an, um sicherzustellen, dass der Druck innerhalb akzeptabler Grenzen liegt und Zellen von Schäden geschützt werden. Falls der Druck zu niedrig ist, wird die Pumpengeschwindigkeit erhöht, um den Auspresszyklus zu beschleunigen. Falls der Druck zu hoch ist, wird die Pumpe heruntergebremst, um die Zellen vor übermäßigem Druck zu schützen. Dadurch wird außerdem die Dichtung vor übermäßigem Druck geschützt.
Der optische Sensor 58 überwacht die Farbe und die Trübung der überführten Fluide. Speziell überwacht der optische Sensor 58 außerdem den Überstand, der aus der Zentrifugen-Kammer ausgepresst wurde. Wenn rote Zellen in dem Überstand detektiert werden, reagiert die Steuereinheit, indem sie die Expressor-Pumpe anhält, um zu verhindern, dass irgendwelche Zellen an den Abfall verloren gehen, oder reagiert durch Schalten von Ventilen, um die Zellen in einem separaten Lagerbeutel zu sammeln, abhängig davon, welcher Zyklus gerade ausgeführt wird.
Bezugnehmend auf 4 und 4A wird in der bevorzugten Ausführungsform das Zellenverarbeitungssystem von 3 für die enzymatische Umwandlung von roten Blutkörperchen zu roten Blutkörperchen von Typ 0 verwendet. Der enzymatische Umwandlungsprozess beginnt in Schritt 115 durch Wiegen der bereitgestellten Menge an roten Blutkörperchen. In Schritt 117 verdünnt basierend auf dem Anfangsgewicht der bereitgestellten roten Blutkörperchen das System die roten Blutkörperchen, die an den Verarbeitungsbeutel abgegeben werden, der sich innerhalb der Zentrifuge 62 befindet, gezeigt in 3, mit Salzlösung im Verhältnis 1:1 und spült außerdem den Beutel mit 100 ml Salzlösung (Schritt 119). In Schritt 121 berechnet die Steuereinheit die korrekte Dosierung von PCI, um das Verhältnis von 65 ml PCI auf 100 ml rote Blutkörperchen zu erhalten. Die Steuereinheit berechnet außerdem die korrekte Dosierung von DPP, um das Verhältnis von 110 ml DPP auf 100 ml rote Blutkörperchen zu erhalten. Vor dem Ausführungsschritt 123 bestätigt die Steuereinheit, dass die korrekte Menge Salzlösung zur Zentrifuge 62 überführt wurde. In Schritt 123 dreht die Zentrifuge bei 3000 Upm etwa 2,5 Minuten lang, und bremst dann herunter auf etwa 1500 Upm und drückt den Salzlösungsabfall aus, während die gewaschenen roten Blutkörperchen in dem Verarbeitungsbeutel zurückbleiben.
Als nächstes spült in Schritt 127 das System die Rohrleitung mit PCI und gibt die in Schritt 121 berechnete Dosis von PCI an den Verarbeitungsbeutel ab. PCI (isotonische Phosphat-Citrat-Lösung) umfasst 10,7 g/l Citronensäuremonohydrat, 2,7 g/l dibasisches Natriumphosphat (wasserfrei), 6,4 g/l Natriumchlorid, die suspendiert sind in einem Liter sterilem Wasser mit pH = 2,8 ± 0,05. Die erforderliche Dosis beträgt 65 ml PCI-Puffer mit pH 2,8 für jeweils 100 ml der 85-Crit-Zellmasse. In Schritt 129 mischt die Zentrifuge gründlich die Lösung während Zugabe von PCI und schüttelt dann gelegentlich die Mischung aus roten Blutkörperchen und PCI etwa 10 Minuten lang zur Gleichgewichtseinstellung, um den pH der verdichteten roten Blutkörperchen von ungefähr 7,0 auf 5,5 zu reduzieren. Dann presst in Schritt 123 die Zentrifuge die abgetrennten Abfallmaterialien (auch Überstand genannt) aus, während die roten Blutkörperchen in dem Verarbeitungsbeutel zurückbleiben.
In Schritt 131 spült das System die Rohrleitung mit PEG und gibt die berechnete Dosis an den Verarbeitungsbeutel ab. In Schritt 133 fügt das System außerdem Enzyme zu dem Verarbeitungsbeutel hinzu, basierend auf der Menge der roten Blutkörperchen, die im Schritt 115 gemessen wurde. Das Enzym umfasst 12,5 ml rB-Zyme oder 25 ml einer Suspension von exo- und endo-rA-zym, und die PEG-Dosis ist 23 ml pro 250 ml 85-Crit-Zellsuspension. Die Zentrifuge schüttelt 60 Minuten lang bei der Inkubationstemperatur von 26°C für rB-zym und bei 37°C für rA-zym. Das Enzym ist in PCI-Puffer von pH 5,5 suspendiert, PEG, 1450 Molekulargewicht, ist suspendiert in PCI von pH 5,5. Das System prüft außerdem die Dosis, die Zeit und die Temperatur in Übereinstimmung mit dem Algorithmus (Schritt 135) und setzt die rote Blutkörperchenumwandlung fort, wenn alle Parameter zufrieden stellend sind. Dann spült das System die Rohrleitung mit Salzlösung und füllt den Verarbeitungsbeutel mit Salzlösung auf. In Schritt 123 dreht die Zentrifuge die Lösung bei 3000 Upm etwa 2,5 Minuten lang, und bremst dann herunter auf etwa 1500 Upm und drückt die überstehenden Abfallmaterialien aus, während die gewaschenen roten Blutkörperchen in dem Verarbeitungsbeutel zurückbleiben.
Nach der roten Blutkörperchenumwandlung drückt die Zentrifuge den Überstand aus (Schritt 123). Als nächstes, in Schritt 141, gibt das System Salzlösung an den Verarbeitungsbeutel ab, schüttelt die Mischung und dreht die Mischung bei etwa 3000 Upm etwa 2,5 Minuten lang. Die Zentrifuge drückt die Abfallmaterialien aus und das System gibt die 85-Crit-Zellmasse zurück. In Schritt 145 spült das System die Rohrleitung mit DPP, um anschließend den pH der umgewandelten roten Blutkörperchen wiederherzustellen. In Schritt 147 gibt das System DPP ab, indem 110 ml DPP-Puffer für jeweils 100 ml der 85-Crit-Zellsuspension abgemessen werden. Das System gibt 140 mM dibasisches Kaliumphosphat mit pH 9,0 ± 0,1 (DPP) ab, das 24,4 g/l dibasisches Kaliumphosphat (wasserfrei) suspendiert in einem Liter sterilem Wasser umfasst. Die Zentrifuge mischt gründlich die Flüssigkeit während der Zugabe des Puffers und bringt die Mischung bei 26°C 10 Minuten lang ins Gleichgewicht, wobei auch gelegentlich während der Gleichgewichtseinstellung gemischt wird. Als nächstes füllt das System in Schritt 141 den Verarbeitungsbeutel mit Salzlösung, schüttelt die Mischung und drückt die Abfallmaterialien aus, während die roten Blutkörperchen in dem Verarbeitungsbeutel zurückbleiben.
Als nächstes spült das System die Leitungen mit Salzlösung und wäscht die roten Blutkörperchen mehrmals, indem der Verarbeitungsbeutel mit Salzlösung gefüllt und anschließend die Abfallmaterialien ausgepresst werden (Schritte 141, 143 und 149). Diese Schritte entfernen restlichen Puffer, Enzym, PEG und Phosphat bis zu einem Gehalt, der ungefähr 99,9999% entspricht. Nach Ausdrücken der verwendeten Salzlösung in dem letzten Waschzyklus (Schritt 153) stellt das System die 85-Crit-Zellmasse wieder her.
Die Steuereinheit weist Fluidverteilungsmodul 40 an, die Rohrleitung umzuschalten, um die verarbeiteten roten Blutkörperchen in Lagerbeutel 74 zu sammeln. Dieser Prozess wird durch den optischen Sensor 58 gesteuert (gezeigt in 3). Nachdem der optische Detektor rote Blutkörperchen detektiert, in Schritt 155, kehrt die Expressor-Pumpe ihre Pumprichtung um, um die roten Blutkörperchen aus der Rohrleitung, die sich zwischen dem Verarbeitungsbeutel und dem optischen Detektor befindet, zurück in den Verarbeitungsbeutel zu ziehen. Das geschieht, um den Verlust von roten Blutkörperchen zu vermeiden. Dann leitet das Fluidverteilungssystem 40 die ausgepressten roten Blutkörperchen wieder an Lagerbeutel 74 zurück. Wenn der Verarbeitungszyklus abgeschlossen ist (Schritt 157), misst die Steuereinheit 100 ml Nutracell-Lagerungslösung je 250 ml der 85-Crit-Zellsuspension ab. Diese Lösung wird dann in dem Lagerbehälter gelagert, der aus einem Material gefertigt ist, das für eine Lagerung von 42 Tagen genehmigt ist (Schritt 163).
Diese Ausführungsform des Zellenverarbeitungssystems wird für die enzymatische Umwandlung des Bluttyps verwendet, wie beschrieben zum Beispiel in den US-Patenten 4.330.619, 4.427.777 und 4.609.627, die an Goldstein erteilt wurden.
Der optische Sensor 58 überwacht die Farbe und die Trübung der überführten Fluide. Spezieller überwacht der optische Sensor 58 auch den Überstand, der aus der Zentrifugen-Kammer ausgedrückt wird. In Schritt 153, wenn rote Zellen in dem Überstand detektiert werden, reagiert die Steuereinheit, indem sie die Expressor-Pumpe anhält, um zu verhindern, dass irgendwelche Zellen in den Abfall verloren gehen. In Schritt 155 schaltet die Steuereinheit Ventile um, um die Zellen in dem Zellenlagerbehälter 74 zu sammeln.
Der optische Sensor 58 ist ausgebildet und angeordnet, um ein Fluid, das gerade innerhalb Fluidverteilungssystem 40 überführt wird, optisch zu bestimmen, da die verarbeiteten Zellen in einer sterilen Umgebung während des gesamten Prozesses gehalten werden müssen, hat der optische Sensor die entsprechenden Anforderungen zu befriedigen. Die Anforderungen schließen eine sterile und leicht ersetzbare optische Kammer ein. Die gesamte Gestaltung ist wasserdicht und ermöglicht leichte Sterilisation aller äußeren Oberflächen in Übereinstimmung mit den entsprechenden Bestimmungen.
Im Allgemeinen ist der optische Sensor 58 ausgebildet und angeordnet, um eine In-line-Charakterisierung von Fluiden, die gerade überführt werden, während des Betriebs von Zellenverarbeitungssystem 10 durchzuführen. Der optische Sensor 58 tastet periodisch Fluide ab, die durch eine optische Kammer strömen, und stellt Steuermodul 80 Daten bereit. Wenn der optische Sensor 58 eine ausgewählte Qualität des optisch abgetasteten Fluids detektiert, liefert er die entsprechenden Daten an Steuermodul 80, welches wiederum ein ausgewähltes Ventil innerhalb Fluidverteilungssystem 40 aktiviert. Das aktivierte Ventil leitete die Strömung in Übereinstimmung mit dem Prozess um.
Eine spezielle, aktuell bevorzugte Ausführungsform des optischen Sensors 58 ist in 5 gezeigt. Bezugnehmend auf 5 umfasst der optische Sensor 200 eine Leiterplatte 202, eine Kunststoffhalterung 204, ein Quellengehäuse 206, ein Detektorgehäuse 208 und eine weiche Dichtung 210. Eine zweifarbige Licht-emittierende Diode 212 (gezeigt in 6B) ist an einer Quellen-Halterung 214 befestigt und innerhalb des Quellen-Gehäuses 206 platziert. Ein Silizimdiodendetektor 216 (gezeigt in 6C) ist an einer Detektor-Halterung 218 befestigt und befindet sich innerhalb des Detektor-Gehäuses 208. Ebenfalls innerhalb des Quellen-Gehäuses 206 befestigt ist eine Quellen-Blende 213 mit einem 1 mm großen Loch. Quellenblende 213, die sich vor LED 212 befindet, ist ausgerichtet mit einer Detektor-Blende 217, die sich vor Siliziumdiodendetektor 216 befindet.
Die Licht-emittierende Diode ist ausgebildet, um Licht von etwa 560 nm und etwa 640 nm zu emittieren. Vorzugsweise ist die LED AND176RAG, hergestellt durch Purdy Electronics Corp., 720 Palomar Ave., Sunnyvale, CA. Der Siliziumdiodendetektor ist OPT210, hergestellt durch Burr-Brown Corp., 6730 S. Tucson, Blvd., Tucson, AZ 85706. Auf der Leiterplatte 202 befindet sich Elektronik 225, die in 6 gezeigt ist.
Nach jedem Einschalten kalibriert Steuermodul 80 den optischen Sensor 200, indem die Übertragungsdaten entweder ohne die Küvette oder mit der leeren Küvette genommen werden und diese mit Kalibierdaten verglichen werden, die im Speicher abgelegt sind. Außerdem kalibriert eine lokale Steuereinheit 230 (6D) Quelle 212 oder Detektor 216 jedes Mal, wenn eine neue Kassette im Fluidverteilungssystem 40 ausfindig gemacht wird.
7 und 8 zeigen die Anordnung des optischen Sensors 200 bezüglich Fluidverteilungsmodul 40. Das Fluidverteilungsmodul ist Teil eines Fluidverwaltungssystems, das die Lieferung von biologischen Zellen, Prozesschemikalien, Lösungen, Fluiden, Reagenzien usw. koordiniert, um einem Verarbeitungsalgorithmus zu entsprechen, der durch Steuermodul 80 ausgeführt wird. Im Allgemeinen steuert das Fluidverteilungsmodul die Lieferung von Fluiden von Zuführungsmodul 20 und Zellen-Modul 12 an das Verarbeitungsmodul 60 (siehe 1 und 3) sowie das Auspressen von Fluiden aus dem Verarbeitungsmodul 60. Das Fluidverteilungsmodul ist eine Vorrichtung, die aus Pumpen, Ventilen, Druckverwaltungsvorrichtungen und anderen Komponenten besteht, die für die Verwaltung einer Vielfalt von Fluiden nützlich sind.
Fluidverteilungsmodul 40 ist gezeigt in 7–9. Das Fluidverteilungsmodul ist Teil eines Fluidverwaltungssystems, das die Lieferfluide koordiniert einschließlich: biologische Zellen, Prozesschemikalien, Lösungen, Fluide, Reagenzien usw., um einem Verarbeitungsalgorithmus zu entsprechen, der durch Steuermodul 80 ausgeführt wird. Im Allgemeinen steuert das Fluidverteilungsmodul die Lieferung von Fluiden von Zuführungsmodul 20 und Zellen-Modul 12 an das Verarbeitungsmodul 60 (siehe 1 und 3) sowie das Auspressen von Fluiden aus dem Verarbeitungsmodul 60. Das Fluidverteilungsmodul ist eine Vorrichtung, die aus Pumpen, Ventilen, Druckverwaltungsvorrichtungen und anderen Komponenten besteht, die für die Verwaltung einer Vielfalt von unterschiedlichen Fluiden von verschiedenen Quellen nützlich sind.
Bezugnehmend auf 7–9 sind die Hauptkomponenten des Fluidverteilermoduls ein Gehäuse 250, eine Pumpenventil-Baugruppe 252, die in dem Gehäuse eingebaut ist, und ein Verteiler 256, der an dem Gehäuse an Trägerplatte 262 befestigt wird. Das Gehäuse 252 kann aus Blech geformt sein. Ebenfalls an das Gehäuse 250 angebaut ist eine Peristaltik("Roll")pumpe 42. Ein Verbindungsstück 260 ist an den Verteiler anschließbar und nimmt Rohrleitungen (siehe 16) auf von verschiedenen Quellen von Fluiden, die zu dem Verteiler zu überführen sind.
Der Verteiler 256 umfasst eine Vielzahl von Anschlüssen, die mit Innenlaufkanälen verbunden sind zum Überführen von Fluid von einem Anschluss zu einem anderen. Die Anschlüsse sind mit unterschiedlichen Quellen oder Zielen von Fluiden verbindbar.
Das Verteilungsmodul 40 ist so angeordnet, dass der Verteiler 256 leicht an das Gehäuse 252 anschließbar ist, so dass es eine Wegwerfvorrichtung zur einmaligen Verwendung sein kann, welche ersetzt werden kann, nachdem der Verarbeitungszyklus für einen Beutel 16 von biologischen Zellen abgeschlossen ist. Der Verteiler 256 ist durch die Verwendung von Federknöpfen 258 (siehe 8) an das Gehäuse leicht anschließbar und von diesem leicht lösbar. Um den Verteiler anzuschließen, werden die Federknöpfe horizontal gedreht, der Verteiler wird an Trägerplatte 262 angeordnet, die Federknöpfe werden herausgezogen, vertikal gedreht und losgelassen, um den Verteiler gegen die Trägerplatte vorzuspannen.
Die Trägerplatte 262 sitzt in einer Vertiefung 265 von Gehäuse 250. Die Trägerplatte 262 ist ein Zwischenstück zwischen dem Verteiler 256 und der Pumpen-Ventil-Baugruppe 252. Die Pumen-Ventil-Baugruppe umfasst eine Reihe von Magnetventilen, welche erregt werden können, um normalerweise ausgestreckte Tauchkolben 264, 266, 268, 270, 272, 274, 276, 278, 280, 282, 284 und 286 zurückzuziehen und dadurch entsprechende Ventile 43–48 und 49–54 (3) zu öffnen, die in Verbindung stehen mit entsprechenden Anschlüssen 302, 304, 306, 308, 310, 312, 324, 326, 328, 330, 332, 334 (10) an dem Verteiler, die verwendet werden, um Fluide zu und von dem Verteiler 256 zu überführen. Wie ausführlich unten erklärt wird lenkt ein Tauchkolben, wenn er ausgestreckt ist, eine flexible Membran innerhalb Verteiler 256 aus, um einen bestimmten Anschluss zu schließen, so dass Fluid nicht durch den jeweiligen Anschluss eintreten oder austreten kann; wenn das Magnetventil, das mit einem Tauchkolben in Verbindung steht, erregt wird, wird der Tauchkolben zurückgezogen, um den damit verbundenen Anschluss oder Kanal zu öffnen und Fluid-Eintritt oder -austritt zu ermöglichen.
Ebenfalls getragen durch die Pumpen-Ventil-Baugruppe 252 werden: Kraftmessdosen 288 und 290, welche verwendet werden, um den Fluiddruck an zwei Punkten innerhalb des Verteilers 256 zu erfassen; ein Sterilluft-Schlauch und Filter 293; und optischer Sensor 258 einschließlich einem Emitter 294 und einem Detektor 296. Halleffekt-Sensoren 298 werden verwendet, um die Position der Tauchkolben 264–286 zu detektieren.
Trägerplatte 262 schließt verschieden geformte Löcher 300 ein, um die Tauchkolben 264–286, Kraftmessdosen 288 und 290, Emitter 294 und Detektor 296 des optischen Sensors und Sterilluftschlauch 293 aufzunehmen (siehe 8 und 9). Um zu verhindern, dass Fluid in die Pumpen-Ventil-Baugruppe 252 eintritt, können einzelne Silikonkolbenmembranen über jedem Tauchkolben sowie den zwei Kraftmessdosen angebracht werden, und sie werden die jeweiligen Löcher 300 der Trägerplatte 262 abdichten.
Folglich sind die Tauchkolben 264 und 266, die in 8 zu sehen sind, durch solche Membranen abgedeckt. In 8 sind Tauchkolben 264 und 266 gezeigt in ihrer normalen (d.h. nicht erregten) Position, in welcher die Anschlüsse, die mit den Tauchkolben 264-266 in Verbindung stehen, abgesperrt sind. Wenn der Verteiler an die Trägerplatte 262 angelagert wird, sind alle Magnetventile erregt, so dass die Tauchkolben das Platzieren des Verteilers nicht stören.
Der Verteiler 256 setzt sich aus drei Hauptteilen zusammen: einer Frontplatte 301, einer flexiblen Membran 303 und einer Rückwand 305. Die Membran wird zwischen der Frontplatte und der Rückwand zusammengepresst, um dichte Kanäle in dem Verteiler zu bilden. Die Rückwand wird an die Frontplatte durch Ultraschall geschweißt, jedoch können auch andere Verfahren zum Verbinden von Kunststoffen verwendet werden, zum Beispiel mechanische Schnapper, Klebstoffe, Lösungsmittel usw. Wie die Trägerplatte 262 enthält die Rückwand 305 ebenfalls Löcher 307, welche mit den Löchern der Trägerplatte 300 zusammenpassen um den verschiedenen Elementen der Pumpen-Ventil-Baugruppe 252 Platz zu bieten und Abschnitte der flexiblen Membran 303 zu exponieren. Um zum Beispiel das Ventil, das mit einem bestimmten Anschluss in Verbindung steht, zu schließen, geht ein Tauchanker durch Loch 307 der Rückwand 305 hindurch und lenkt die flexible Membran 303 gegen die Frontplatte aus, um Fluidfluss in einem Anschluss oder einem Kanal der Frontplatte 301 abzusperren.
Wie in 10 zu sehen ist, speisen Anschlüsse 302, 304, 306, 308, 310 und 312 in einen ersten Verteiler-Kanal 314 ein. Wie oben angegeben ist werden diese Anschlüsse durch Tauchkoben 264, 266, 268, 270, 272 und 274 geöffnet und geschlossen. Unterschiedliche Prozesschemikalien können über Rohrleitung zu jedem Anschluss 302–312 gespeist werden.
Wie zum Beispiel in der bevorzugten Ausführungsform mit Bezug auf 3 und 4 oben beschrieben ist, können Enzyme A1/B und A2 an Anschluss 302 (von Beutel 21 und 22), DPP an Anschluss 304 (von Beutel 23), PEG an Anschluss 306 (von Beutel 24), Lagerungslösung an Anschluss 308 (von Beutel 25), PCI an Anschluss 310 (von Beutel 26) und Salzlösung an Anschluss 312 (von Beutel 74) angeschlossen werden. Anschlüsse 302–310 sind angepasst, um ein Verbindungsstück 260 (unten beschrieben) aufzunehmen, an welches Schläuche von Zuführungsmodul 20 angeschlossen werden.
Fluid wird von einer Quelle, die mit irgendeinem dieser Anschlüsse verbunden ist, in Kanal 314 hinein fließen (falls der Tauchkolben für diesen Anschluss zurückgezogen ist) und an Auslass 316 austreten, wenn Pumpe 42 in Betrieb ist. Rohrleitung verbindet Auslass 316 mit Einlass 318. Wie schematisch durch Pfeile "a" in 8 gezeigt ist, ist die Bewegung von Fluid aus Verteiler-Kanal 314 heraus. Fluid wird von 316 zu 318 überführt durch eine Peristaltikpumpe (siehe 7), durch welche die Schlauchleitung hindurchgeht, die Auslass 316 mit Einlass 318 verbindet. Die Pumpe hat Einlässe 315 und 317, welche die Schlauchleitung aufnehmen, und eine rotierende Rolle 323, die gegen den Uhrzeigersinn rotiert und kontinuierlich den Schlauch entlang seiner Länge quetscht, um einen Vakuumeffekt zu erzeugen, wodurch Fluid von Auslass 316 zu Einlass 318 gesaugt wird. Motor 386 verursacht, dass Rolle 323 rotiert.
Das Fluid wird sich zu Anschluss 320 begeben und aus dem Verteiler über Rohrleitung austreten, welche an ein Filter 321 angeschlossen ist. Der Filter ist ein bakteriostatischer Filter, zum Beispiel mit einer Porengröße von 0,2 Mikron, hergestellt durch Pall Inc., und filtert Verunreinigungen aus, welche in dem Fluid sein können. Zwei Filter können parallel verwendet werden, um die Geschwindigkeit der Fluidströmung zu erhöhen, die durch den Filter verlangsamt wird. Der Ausgang des Filters 321 wird über Rohrleitung an einen anderen Anschluss 322 gekoppelt, wo das Fluid in einen zweiten Verteiler-Kanal 319 des Verteilers eintritt. Mit den Anschlüssen 320 und 322 sind keine Tauchanker verbunden und sie sind somit keine mit Ventil ausgestatteten Anschlüsse. Der Filter ist mit Anschlüssen 320 und 322 unter Verwendung von Ellbogenverbindungsstück 331 und kleinen Stücken Kunststoffrohrleitung 333 verbunden.
Anschlüsse 324, 326, 328, 330, 332 und 334 sind außerdem mit Verteiler-Kanal 319 verbunden. Strömung durch diese Anschlüsse wird jeweils gesteuert durch Tauchanker 276–286, was Ventilen 49–54 entspricht (3). Diese Anschlüsse (und Anschuss 312) sind angepasst, um direkt mit Rohleitung verbunden zu werden, anders als Anschlüsse 302–310, welche angepasst sind, um Verbindungsstück 260 aufzunehmen, aus Gründen, die unten angegeben werden. Anschlüsse 324–332 sind Zwei-Wege-Anschlüsse insofern, als das Fluid in diese Anschlüsse eintreten oder daraus austreten kann. In der Verarbeitungsmethodik, die oben mit Bezug auf 3 beschrieben wurde, sind die Anschlüsse folgendermaßen verbunden: Anschluss 324 ist mit Produkt-Beutel 76 verbunden, Anschluss 326 ist mit dem Verarbeitungsmodul verbunden, um eine Spülsalzlösung bereitzustellen, Anschluss 328 ist an den Abfall-Beutel 72 gekoppelt, Anschluss 330 ist an Zellen-Beutel 16 gekoppelt (unter Umgehung des Leukozytenfilters 18), und Anschluss 332 ist an Zellen-Modul 12 gekoppelt, um unverarbeitete biologische Zellen aufzunehmen.
Unter Verwendung des Verteilers 256 kann jedes Fluid, das an Anschlüssen 302–312 aufgenommen wird, verteilt werden auf jeden beliebigen der Anschlüsse 324, 326, 328, 330, 332 und 336. Um ein Fluid von Anschlüssen 302–312 auf Anschlüsse 324, 326, 328, 330 oder 332 zu verteilen, wird Absperrschieber 334 durch Tauchkolben 286 geschlossen und der Tauchanker, der mit dem gewünschten Anschluss 324, 326, 328, 330 oder 332 in Verbindung steht, wird erregt und zurückgezogen, um den Anschluss zu öffnen, so dass Fluid hindurch gelangen kann. Zum Beispiel kann Salzlösung, die an Anschluss 312 aufgenommen wird, aus Anschluss 330 herausgepumpt werden, um biologische Zellen zu verdünnen, die in Zellen-Beutel 16 enthalten sind (unter Umgehung von Leukozytenfilter 18), oder sie kann aus Anschluss 326 herausgepumpt werden, um das Verarbeitungsmodul 60 zu spülen. Das Spülwasser aus Anschluss 326 wird in das Verarbeitungsmodul hinein geschickt und daraus herausgepresst und drückt die restlichen Zellen in der Leitung durch Anschluss 336, Ventil 334 und aus Anschluss 324 heraus zu dem Produkt-Beutel.
Alternativ können Anschlüsse 324–332 geschlossen gehalten werden, Absperrschieber 334 offen gehalten werden, und Fluid von irgendeinem der Anschlüsse 302–312 könnte aus Anschluss 336 heraus zu Verarbeitungsmodul 60 austreten. Während der oben beschriebenen Zellenverarbeitung wird jede Fluidquelle, die mit Anschlüssen 302–312 verbunden ist, in das Verarbeitungsmodul 60 zu unterschiedlichen Zeiten während der Verarbeitungsprozedur gepumpt (siehe 4).
Eine Quelle von Fluid, die an einem der Anschlüsse 324–332 aufgenommen wurde, könnte auch durch Absperrschieber 334 zu einem dritten Verteiler-Kanal 335 und Austrittsanschluss 336 zu Verarbeitungsmodul 60 hindurchgehen. Zum Beispiel werden biologische Zellen, die von Zellen-Beutel 16, der mit Anschluss 332 verbunden ist, aufgenommen werden, durch den Verteiler 335 und aus Anschluss 336 heraus zu dem Verarbeitungsmodul 60 wandern. Ebenso wie bei Fluiden, die über irgendeinen der Anschlüsse 324–332 aufgenommen wurden, wandern die Zellen aus dem Beutel 16 heraus durch den Verteiler 256 und zu dem Verarbeitungsmodul 60 durch Schwerkraft, da der Zellen-Beutel über dem Verteiler platziert ist und der Verteiler über dem Verarbeitungsmodul 60 ist.
Fluide können außerdem aus der Zentrifuge 62 des Verarbeitungsmoduls 60 ausgepresst werden, wobei sie in Anschluss 336 hinein, durch Kanal 335 und Absperrventil 334 hindurch zu irgendeinem der Anschlüsse 324–332 wandern. Zum Beispiel wird in der bevorzugten Ausführungsform, die oben beschrieben wurde, die Zentrifuge 62 Abfallmaterial und Produkt aus Anschluss 328 bzw. 324 herauspressen.
Der dritte Verteiler-Kanal 335 schließt eine Küvette 348 ein, die zu Anschluss 336 führt, welcher über Rohrleitung direkt mit Verarbeitungsmodul 60 verbunden ist. Die Küvette 348 ist dort, wo verarbeitetes Fluid aus dem Verarbeitungsmodul durch den optischen Sensor 58 detektiert wird. Der Emitter des optischen Detektors 294 wird in einem Gehäuse 338 der Frontplatte 301 auf einer Seite der Küvette aufgenommen, während der Detektor 296 in Vertiefung 340 auf der gegenüberliegenden Seite der Küvette angeordnet ist. Somit kann der Detektor infrarotes Licht detektieren das durch das Fluid innerhalb der Küvette hindurch emittiert wird, und die Änderung der roten Blutkörperchen detektieren, die sich ereignet, nachdem Abfallmaterial durch die Zentrifuge des Verarbeitungsmoduls 60 herausgepresst worden ist. Wenn die Änderung detektiert wird, wird Anschluss 328, der mit dem Abfall-Beutel 72 verbunden ist, geschlossen und der Prozess kann entweder rote Blutkörperchen zurück zu dem Verarbeitungsmodul 60 schicken oder eine weitere Bearbeitung, oder, falls der Prozess beendet ist, diese zu dem Produkt-Beutel schicken, indem Anschluss 324 geöffnet wird.
Die Kraftmessdose 288 der Pumpen-Ventil-Baugruppe 252 (siehe 10) ist unterhalb Einlass 318 und Anschluss 320 angeordnet, um den Fluiddruck zu erfassen, der in Einlass 318 aufgenommen wird. Kraftmessdose 288 erfasst Hochdruckzustände, welche zum Beispiel auftreten, wenn das Verarbeitungsmodul mit Fluid gefüllt wird. Wenn zum Beispiel Fluid von einem der Anschlüsse 302–312 gerade zu dem Verarbeitungsmodul 60 gepumpt wird, wenn das Verarbeitungsmodul gefüllt ist, wird der Druck dramatisch ansteigen und durch die Kraftmessdose erfasst werden. Das erhöhte Drucksignal wird zurück zu dem Steuermodul gesendet, welches die Pumpe 42 abschaltet. Sensor 288 erfasst außerdem Alarmzustände, welche auftreten können, falls es ein Hindernis hinter dem Einlass 318 und Anschluss 320 gibt. Eine zweite Kraftmessdose 290 ist unterhalb von Anschluss 336 platziert und erfasst den Druck in der Zentrifugen-Dichtung des Verarbeitungsmoduls 60. Folglich kann, wenn der Druck in der Dichtung an der Zentrifuge zu groß ist, die Verarbeitung unterbrochen oder die Zentrifugengeschwindigkeit reduziert werden.
Der verbleibende Anschluss 342 nimmt einen Sterilluft-Schlauch 293 und Filter von Pumpen-Ventil-Baugruppe 252 auf und wird von Frontplatte 301 über eine Rohrleitung mit Verarbeitungsmodul 60 verbunden, welches die sterile Luft verwendet, um eine druckbeaufschlagte sterile Umgebung zu erzeugen. Öffnungen 346 und 344 nehmen Befestigungsfinger 373 und 374 (siehe 16) von Verbindungsstück 260 auf. Es sollte beachtet werden, dass die spezielle Anordnung der Anschlüsse, Vertiefungen und Verteiler-Kanäle des Verteilers auf zahlreich unterschiedliche Arten konfiguriert werden kann, um die Übertragung von unterschiedlichen Fluiden zu verschiedenen Orten zu erreichen, und die Erfindung ist nicht beschränkt auf die besondere Anordnung, die in den Figuren gezeigt ist.
Bezugnehmend auf 11–13 hat der Verteiler drei Hauptkomponenten, eine Frontplatte 301, eine flexible Membran 303 und eine Rückwand 305. Die Frontplatte und die Rückwand sind Spritzgusskunststoffkomponenten, die gefertigt sind aus amorphem transparentem Polymer mit hohem E-Modul für Biegebelastung und guter Schlagfestigkeit wie Acryl. Andere Materialien können verwendet werden, zum Beispiel Polycarbonat (PC), Styrenacrylnitril (SAN), Polyester und Copolyester, transparentes Acrylnitrilbutadienstyrol (ABS), Polystyrol, Polymethylpenten(TPX).
Die flexible Membran 303 ist aus einem weichen Silikonmaterial hergestellt, das gewählt wird wegen seiner Fähigkeit, auferlegtem Druck zu widerstehen, und seines E-Moduls für Zugbelastung. Andere Materialien können verwendet werden, um die Membran zu bilden, wie thermoplastische Elastomere (TPE). Der Verteiler 256 wird zusammengebaut, indem die Membran 303 zwischen Frontplatte 301 und Rückwand 305 gelegt wird und Frontplatte und Rückwand miteinander durch Ultraschall verschweißt werden. Die Frontplatte und die Rückwand üben eine Druckkraft auf die Membran aus.
12 zeigt eine Rückansicht der Frontplatte 301. Membran 303 bedeckt die Frontplatte 301 und verschweißt mit dieser, um Verteiler-Kanäle 319, 314 und 335 zu bilden. Die Membran 303 wird durch die Rückwand 305 gepresst, um eine gute Dichtung mit der Frontplatte 301 zu bilden, um Fluidleckage aus Verteiler-Kanälen 314, 319 und 335 oder irgendeinem der Anschlüsse heraus zu verhindern.
Der Verteiler 256 wird ausgebildet, indem die Membran 303 (wie sie in 13 ausgerichtet ist) über die Rückseite der Frontplatte 301 (wie sie in 12 ausgerichtet ist) gelegt wird. Die Seite der Membran, die die Frontplatte berührt, ist flach, während die gegenüberliegende Seite, die die Rückwand 305 berührt, Höcker 355 (13) einschließt, auf welche die Tauchanker 264–284 angepasst sind, um sie auszulenken, um die Anschlüsse zu schließen, die mit den Höckern 355 auf der Membran in Verbindung stehen und durch diese bedeckt werden. Wie durch Vergleich von 11 und 12 zu sehen ist, bedecken Höcker 355 Anschlüsse 302–312, sowie Anschlüsse 324–332. Ein Abschnitt 360 der Membran ist ohne einen Höcker geformt und wird verwendet, um Absperrschieber 334 zu schließen, und nimmt einen Tauchanker (286) auf, der etwas anders geformt ist, um den Absperrschieber 334 abzusperren, der Verteiler-Kanäle 319 und 335 verbindet. Die Rückwand 3O5 und die Membran 303 umfassen die Öffnungen 388 und 361, durch welche der optische Emitter hindurch gelangt.
Die Rückseite der Frontplatte 301 umfasst auch eine Vielzahl von Schweißrippen 351, wo die Rückwand 305 an die Frontplatte durch Ultraschall anzuschweißen ist. Die Membran ist geformt, dass sie die Schweißrippen nicht stört, und umfasst Löcher 356 und 357, welche den Rippen Platz bieten, so dass sie an die Rückwand geschweißt werden können. Die Schweißnaht ist in 14 gezeigt, worin Rippe 351 an die Rückwand 305 geschweißt ist. Die Schweißnaht ist an Rippenverbindung 367 ausgebildet, in welchem Teil die Rippe 351 in die Rückwand 305 eingeschmolzen ist.
Die Flächen 362 und 363 der Membran 303 liegen über Flächen 388 und 389 auf der Rückseite der Frontplatte. Die Kraftmessdosen 288 und 290 berühren die Membran bei 362 und 363 durch Rückwandlöcher 390 bzw. 391, um den Fluiddruck von Fluid, das in Einlass 318 hineinströmt, und von Fluid, das in Anschluss 336 hinein oder dort heraus gelangt, zu erfassen.
Die Frontplatte schließt auch Zapfen 350 und 353 ein, die angepasst sind, um durch die Membran 303 (durch Löcher 358 und 359) und Rückwand 305 (durch Löcher 365 und 352) hindurchzuragen, um die Membran 303 und Rückwand 305 richtig auf der Frontplatte 301 zu zentrieren. Die Zapfen sind hohl (siehe 11 und 13), um Befestigungszapfen 398 und 399 von Pumpen-Ventil-Baugruppe 252 aufzunehmen, welche durch die Trägerplatte 262 hindurchragen. Zapfen 350 und Zapfen 353 sind geschlitzt, um sich Fertigungstoleranz anzupassen. Der Schlitz von Zapfen 353 (siehe 12) ist länglich, um sich größeren horizontalen Toleranzen aufgrund der Form des Verteilers 256 anzupassen.
Die Frontplatte schließt weiter Öffnungen 346 und 344 ein zur Aufnahme von Befestigungsfingern 373 und 374 von Verbindungsstück 260. Um die Membran richtig an Ort und Stelle zu positionieren und zu halten und auch um eine Dichtung zu bilden umfasst die Frontplatte erhöhte Grade 364 (siehe 14), welche in Membran 303 versinken, wenn sie zwischen Frontplatte 301 und Rückwand 305 zusammengedrückt wird. Tauchanker werden in Löchern 307 in der Rückwand aufgenommen und werden die ausgesetzte Membran an Hügeln 355 niederdrücken und auslenken, um einen jeweiligen Anschluss zu schließen. Der Tauchkolben sperrt den Anschluss ab durch Auslenken der Membran bis zur Dichtheit mit Oberfläche 392 (siehe 14) des Frontplattenanschlusses. Die Membran ist leicht verdünnt um den Knopf 355 herum bei 393, um die Membran beim Verformen zu unterstützen, um den Anschluss zu schließen.
Der in 14 gezeigte Querschnitt zeigt außerdem einen Verbindungsstückanschluss 366, mit dem ein Teil des Verbindungsstücks 260 (siehe 7) verbunden ist, welches auf die Vorderseite der Frontplatte angelagert ist. Wie in 8 zu sehen ist, sind Anschlüsse 302, 304, 306, 308 und 310 geformt, um Verbindungsstück 260 Platz zu bieten anstatt direkt Rohrleitung aufzunehmen, wie es Anschlüsse 324, 326, 328, 330, 332 und 336 tun. Alternativ können die Anschlüsse 302–310 wie Anschlüsse 324–336 ausgebildet sein, um direkt Rohrleitung aufzunehmen, wenn es nicht erwünscht ist, Verbindungsstück 260 zu verwenden.
Wie in 15 und 16 zu sehen ist, umfasst das Verbindungsstück 260, das aus Spritzgusskunststoff hergestellt wird, zylindrische Ansatzstücke 375–378, welche angepasst sind, um innen zu sitzen und in eine inneren Oberfläche von Anschlüssen 304, 306, 308 bzw. 310 einzugreifen. Das Verbindungsstück stellt sicher, dass die Prozessfluide von unterschiedlichen Quellen mit dem richtigen Anschluss des Verteilers verbunden werden. Die zylindrischen Ansatzstücke sind ausgebildet, um zwischen einem Innenring 394 und einem Außenring 395 des Anschlusses zu sitzen (siehe 10 und 14). O-Ringe 379 (siehe 11) sind angepasst, um zwischen den Ansatzstücken 375–378 und Anschlüssen 304–310 zu sitzen, um eine Dichtung bereitzustellen. Befestigungsfinger 373 und 374 schnappen in die Frontplatten-Öffnungen 344 und 346 ein.
Anschlüsse 368, 369, 370 und 371 von Verbindungsstück 260 speisen in entsprechende Ansatzstücke 375–378 ein und sind an Rohrleitung anschließbar, welche mit einem Mehr-Kammer-Beutel 380 verbunden ist, wie in 17 gezeigt. Der Beutel 380 enthält Kammern 381, 382, 383 und 384, welche unterschiedliche Arten von Prozesschemikalien enthalten können wie DPP, PEG, Lagerungslösung (AS3) bzw. PCI. Der Beutel kann ausgeliefert werden mit angeschlossenem Verbindungsstück 260, wie in 17 gezeigt. Das Verbindungsstück 260 wird sicherstellen, dass Rohre 385 in der richtigen Reihenfolge mit Anschlüssen 302, 304, 306, 308 und 310 der Frontplatte 301 verbunden werden. Der Beutel 380 ist aus Cryovac M312 gefertigt, welches beständig gegen Chemikalien mit einem hohen pH ist, wie zum Beispiel DPP und PCI. Die Kammern werden gebildet, indem zwei Bögen Cryovac M312 miteinander heißverschweißt werden. Löcher 396 werden verwendet, um den Beutel aufzuhängen.
Anschluss 366 (siehe 14) sitzt auf Anschluss 302 und ist zum Aufnehmen eines weiteren Verbindungsstücks, das mit einem Beutel verbunden ist, der das Enzym zum Verarbeiten biologischer Zellen enthält. Das Enzymbeutel-Verbindungsstück schnappt in Schlitze 397 von Anschluss 366 ein und dichtet mit einem O-Ring in Anschluss 302 auf eine ähnliche Art und Weise wie zylindrische Ansatzstücke 375–378.
18 veranschaulicht Apparat 10 in einer linksseitigen perspektivischen Ansicht und zeigt die Expressor-Systemkomponenten deutlicher in zusammengebautem und montiertem Verhältnis bezüglich des Gesamtapparats 10. Insbesondere sind ein Motor 400 zum rotierbaren Antrieb eines Spannkopfs oder Rotors (ausführlich unten beschrieben), Trennpfosten 401, Lagergehäuse 402, Montageplatte 403, Becher 404, ein Schiebedeckel 405 und eine Infrarotsensor-Gehäusebaugruppe 406 in 18 gezeigt.
Wie in 19–27 gezeigt ist nimmt der Becher 404 einen Spannkopf oder Rotor 408 auf, welcher rotierbar um die Mittelachse 430 herum antreibbar ist durch Verbindung mit Motor 400 über Welle 450, welche innerhalb von Lagergehäusen 451–453 und Kupplung 452 untergebracht ist. Wie in 19 gezeigt treibt Motor 400 rotierbare Welle 455 an, welche mit Welle 450 verbunden ist, welche mit Spannkopf 408 verbunden ist, welcher über Hohlkehlen 456 und Pfosten 457 (21 und 22) innerhalb Becher 404 zur Rotation darin montiert ist.
Wie am Besten in 26 gezeigt ist, wird Expressor-Fluid gepumpt aus einer externen Quelle 425, d.h. extern zu den Rotor-, Wellen- und Motorkomponenten, in einen dichten Ringspalt 458 hinein, welcher in Verbindung steht mit einem axialen Fluiddurchgang 416 durch Antriebswellen 455 und 450. Der axiale Fluiddurchgang 416 steht in Verbindung mit einem Durchgang 475 in Spannkopf 408, welcher in Verbindung steht mit Rinne 410 auf der Innenseite von Spannkopf 408 (19 und 20). Wie am Besten in 20 gezeigt ist, ragen die Fluidabgaberinnen 410 radial nach außen entlang einer zentralen flachen Kreisfläche 460 und weiter radial nach außen entlang der gekrümmten Innenfläche von Spannkopf 408.
Ein Paar an Lagerdichtungen 462, 26, ermöglicht die Lieferung von Fluid von (und zu) einer stationären Quelle 425 in Raum 458 hinein und durch den Achsendurchgang 416 der Rotationswellen 455 und 450. Lager 464, 26, befestigen Welle 450 rotierbar innerhalb von Gehäuse 451.
Der Spannkopf 408 hat eine rund ringförmige oder scheibenförmige Kammer 421 (21, 22, 23 und 24), innerhalb der sich der Trennvorgang ereignet. Die Gesamtkammer 421 ist unterteilt in zwei getrennte Einschließungen, wobei eine der Raum unter der flexiblen Membran 411, die andere der Raum innerhalb Kammer 421 über der Membran 411 ist. Der Raum unter Membran 411 ist abdichtbar eingeschlossen über die dichte Paarung der Unterseite des äußeren Umfangs der Membran mit Umfangsrand 409 (19 und 20) von Spannkopf 408, welche erreicht wird durch Verschraubung von Ring 412 (21 und 22) auf Rand 409, wobei die Membran 411 dazwischen gelegt ist. Membran 411 ist außerdem abdichtbar gepaart mit der zentralen flachen Oberfläche 460 von Spannkopf 408 über Verschraubung von Spannkopf-Platte 413 (20 und 21) auf der Mitte von Spannkopf 408, wobei die Mitte der Membran 411 dazwischen gelegt ist (20 und 21).
Die flexible Membran 411 umfasst ein elastisches dehnbares oder flexibles Material, typischerweise ein elastomeres Material wie Silikon, Urethan und andere geeignete technische Elastomere wie Eastman Eedel oder DuPont Hytrel. Die Membran 411 ist für Fluid oder Gas undurchlässig und für herkömmliche wässerige oder organische Fluide und biologische Zellen wie Blutzellen inert und/oder nicht-reaktiv und/oder nicht porös. Das Material der Membran 411 wird gewählt als ein Material, welches sich dehnt und zusammenzieht, elastisch ist, robust, und das nach Dehnen oder Zusammenzeihen nicht zerknittert oder sich nicht verformt.
In dem Kammerhohlraum 426 über der Oberfläche von Membran 411 ist innerhalb Kammer 421 die runde Fluid-Einschließung 604 (19, 21 und 22) montiert, innerhalb welcher in oder mehrere Fluid-Materialien, die auf irgendeine Weise verarbeitet werden sollen, abgelegt sind. Die Fluid-Einschließung 604 umfasst ein flexibles Material, typischerweise eine Folie aus Kunststoff, welches nichtporös und inert für wässrige und biologische Fluide im Allgemeinen ist. Das Kunststoffmaterial der Fluid-Einschließung 604 umfasst typischerweise Pyropylvinylchlorid (PVC), Polyethylen, inerte mehrschichtige koextrudierte Kunststoffe wie Cryovac M312, Eastman Eedel Elastomer oder ein anderes gleichwertiges flexibles inertes Kunststofffolienmaterial. Die Fluid-Einschließung 604 umfasst typischerweise eine Einschließung wie einen Beutel (welcher wegwerfbar sein kann) oder eine andere ringförmige Einschließung mit mindestens einer Wand oder Seite, die aus einer Folie aus dem flexiblen Kunststoffmaterial besteht, deren Außenfläche der Ober-/Außenfläche von Membran 411 gegenüberliegt.
Die Fluid-Einschließung 604 ist typischerweise mit zwei oder mehr Fludien wie eine wässerige Lösung und eine Ansammlung von biologischen Zellen gefüllt, welche über Zentrifugalkraft oder über Schwerkraft/Sedimentation von einander zu trennen sind. Deshalb wird eine Ansammlung von Zellen, welch in der Lage ist, relativ glatt durch herkömmliche Fluidströmungsrohrleitungen (z.B. mit einem Durchmesser von mindestens etwa 0,10 Zoll (2,54 mm)) zu strömen, als ein Fluid oder Fluid-Material betrachtet.
Wenn zwei oder mehr Fluid-Materialien in die Fluid-Einschließung 604 eingespeist oder darin abgelegt werden, hat jedes Fluid-Material eine andere Dichte. Die Dichte von irgendeinem oder allen Materialien, welche in die Fluid-Einschließung 604 eingespeist oder darin abgelegt werden, wird am besten gewählt, kleiner zu sein als die Dichte des Expressor-Fluids, welches für die Eingabe in den Expressor-Raum oder die Expressorkammer 420 hineingewählt wird (21–25).
Die Dichte des Expressor-Fluids wird vorzugsweise gewählt, größer zu sein als die Dichte von jedem der Materialien, die in der Einschließung 604 abgelegt sind, so dass nach Rotation von Spannkopf oder Rotor 408 das Expressor-Fluid vorzugsweise zu dem äußersten Umfang der Kammer 421 wandern wird unter der Zentrifugalkraft, wie am Besten in 24 und 25 gezeigt, wobei in 24 ein erstes gewähltes Volumen von Expressor-Fluid in Raum/Einschließung 420 hinein gepumpt worden ist und wobei in 25 ein zweites größeres Volumen Expressor-Fluid in Raum/Einschließung 420 hinein gepumpt worden ist. 24 und 25 zeigen, dass wenn das Volumen von Expressor-Fluid innerhalb Einschließung 420 erhöht wird, während des Verlaufs der Rotation von Spannkopf oder Rotor 408, sich die flexible Membran 411 von der äußersten Umfangskante der flexiblen Einschließung 604 radial nach innen dehnt/ausdehnt, so dass Einschließung 604 radial nach innen gedrückt wird und die Fluide gezwungen werden, aus der Einschließung 604 herauszuströmen durch Austrittsanschluss 470, nacheinander entsprechend der Dichte der Fluid-Materialien, geringste Dichte zuerst bis größte Dichte zuletzt.
In einem typischen Verarbeitungszyklus wird zu Beginn die Membran 411 in einer Position angeordnet, wo die Membran 411 unter Saugdruck dicht neben der gekrümmten Innenfläche der Verarbeitungskammer 421 gehalten wird, wie in 23 gezeigt. Ein Verarbeitungsbeutel/eine Verarbeitungseinschließung 604 mit einem Füllvolumen, das Raum 426 entspricht (23), wird mit einem Fluid gefüllt, das biologische Zellen enthält, angeordnet in einer wässrigen Lösung, die Prozessmaterialien wie Enzyme oder Puffer enthält. Die gefüllte Einschließung 604 ist in Raum 426 angeordnet (23) und die Einschließung 604 wird zurückgehalten oder fest gehalten innerhalb Raum 426 über Deckplatten oder Deckklappen 415 (19–23), welcher klappbar an Spannkopf oder Rotor 408 befestigt sind. Mindestens eine Unterseite 418 von Einschließung 604 (24) umfasst ein flexibles Folienmaterial. Die Einschließung 604 ist innerhalb Raum 426 so positioniert, dass die flexible Unterseite 418 von Einschließung 604 der Membran gegenüberliegt und/oder einen äußeren Oberflächen-Oberflächen-Kontakt mit Membran 411 herstellt, wie in 23 gezeigt. Expressor-Fluid wird dann steuerbar von Quelle 425 (22 und 26) in den axialen Kanal 416 gepumpt und strömt nach oben in Kanalraum 475 und dann durch Rinne 410 in den dichten Raum 420 hinein (22). Während des Verlaufs des Pumpens des Expressor-Fluids in Raum 420 hinein wird der Spannkopf/Rotor 408 typischerweise antreibbar rotiert, das Expressor-Fluid wandert in das äußerste Umfangsvolumen des dichten Raums 420 unter Zentrifugalkraft (24) und die Membran 411 wird radial nach innen gedehnt/expandiert und expandiert weiter radial nach innen (wie in 25 gezeigt). Wie ohne weiteres sich vorgestellt werden kann wird, wenn das Volumen von Expressor-Fluid innerhalb des Raums 420 zunimmt (24 und 25), der Beutel oder die Einschließung 604 zusammengedrückt und die Fluide, die innerhalb des Beutels/der Einschließung 604 enthalten sind, werden radial nach innen gezwungen, um aus einem Austrittskanal 632 oder 636 heraus zu strömen, welche abdichtbar mit dem Innenraum von Einschließung 604 verbunden sind und mit diesem in Verbindung stehen.
In einer anderen Ausgestaltung, die nur auf Schwerkraft beruht, kann der Rotor/Spannkopf 408 nicht notwendigerweise rotiert werden während Eingabe/Einpumpen des Expressor-Fluids. In einer solchen Ausführungsform kann das Expressor-Fluid den skalierten Expressor-Raum 420 von dem Schwerkraftboden der Kammer 421 füllen und den Raum 420 von dem Boden nach oben erweitern, wobei der Beutel/die Einschließung 604 von dem Boden nach oben zusammengedrückt wird. Da die zwei oder mehr Materialien, die innerhalb des Beutels/der Einschließung 604 angeordnet sind, unterschiedliche Dichten haben, werden sich die zwei oder mehr Materialien innerhalb des Beutels/der Einschließung 604 über einen bestimmten Zeitraum (abhängig von den Dichten der Fluid-Materialien) unter der Schwerkraft voneinander trennen. Sobald den Materialien erlaubt wurde, sich mit der Zeit zu trennen, kann das Expressor-Fluid in Raum 420 hinein gepumpt werden und die durch Schwerkraft getrennten Materialien können aus einem Austrittskanal 632, 636 herausgepresst werden, nacheinander, entsprechend ihrer Dichte, geringste Dichte zuerst bis größte Dichte zuletzt.
Das Expressor-Fluid wird vorzugsweise gewählt, dass es eine Schmierwirkung auf die Rotationslagerdichtungen 462 (26) hat, und gewählt, nicht korrosiv und nicht allzu viskos zu sein. Am Besten ist das Expressor-Fluid eine Mischung aus Glyzerin und Ethylenglykol in einem Verhältnis von zwischen etwa 40:60 und etwa 60:40, besser etwa 50:50 (mit einer Dichte von etwa 1,15), welche für die riesige Mehrheit von biologischen Fluid-Anwendungen eine Dichte hat, die größer ist als die Dichte der biologischen Fluide. Andere Beispiele für Expressor-Fluide mit einer Dichte größer als die meisten biologischen Fluide sind Glycerol und Ethylenglykoldiacetat, welche weniger bevorzugt sind. Jedes stabile, nicht korrosive, relativ nichtviskose Fluid, das vorzugsweise eine Dichte größer als die Dichte von jedem der Fluid-Materialien aufweist, die in der Einschließung 604 abgelegt sind, kann als ein Expressor-Fluid verwendet werden.
Die Einschließung 604, welche die zu verarbeitenden Fluide aufnimmt, ist eine dichte Einschließung, vorzugsweise mit einem Fluid-Eingangsanschluss 632, 636, welcher ohne weiteres abdichtbar anschließbar an eine ohne weiteres auswählbare Quelle von Fluid ist, wie Wasch- oder Konservierungs- oder Verdichtungsfluid oder Puffer oder biologische Zellen enthaltendes oder Enzym enthaltendes Fluid. Solche auswählbaren Quellen von Eingangsfluiden können jeweils mit einem Verteiler oder Fluidverwaltungsapparat (z.B. eine Teilbaugruppe oder ein Teilsystem von Modul 40, 1) verbunden sein, welcher programmiert oder anderweitig ohne weiteres gesteuert werden kann, um ein ausgewähltes Fluid für die Eingabe in die Einschließung 604 zu liefern. Ein Ausgangsanschluss von solch einem Verteiler oder Fluidverwaltungsapparat ist ohne weiteres abdichtbar anschließbar an einen Eingangsanschluss 632, 636 der Einschließung 604.
Wie in den 13, 28, 29 und der 30 gezeigt ist, werden mehrere Fluidverbindungsanschlüsse 632, 636 bereitgestellt, wobei jeder Anschluss sowohl ein Eingangs- als auch ein Austritts-/Ausgangsanschluss ist. In der speziellen Ausführungsform, die gezeigt wird, kann an Fluidverbindungsanschluss 632 genutzt werden zur Eingabe und Ausgabe eines biologischen Zellmaterials und der andere Anschluss 636 kann genutzt werden zur Eingabe/Ausgabe eines Verarbeitungsfluids (z.B. Puffer oder Enzym-haltige wässrige Lösung). Die Anschlüsse 632, 636 können abdichtbar mit einem Fluidverwaltungsapparat verbunden werden, wie mit Bezug auf 1 besprochen wurde, worin eine Reihe von Ventilen genutzt werden, um Strömungen in, aus oder durch einen Anschluss oder einen anderen Anschluss zu jeder beliebigen Zeit getrennt zu ermöglichen. Die Eingangs/Ausgangsanschlüsse 632, 636 der Einschließung 604 kommunizieren abdichtbar mit dem Inneren von Einschließung 604 über den Zusammenbau und die Befestigung von Rotationsdichtungskomponenten 630 (Körper), 610 (obere Dichtung), 620 (untere Dichtung), 670 (Kopfklammer), 680 (Basis), 681 (Zapfen) (28–30) aneinander zusammen mit Beutel/Einschließung 604, um mehrere dichte Fluidverbindungsanschlüsse 632, 636 in das Innere 426 der Einschließung 604 hinein und daraus heraus bereitzustellen (13). Ein anderer Kanal 634, wie gezeigt, wird in den rotierenden Dichtungskomponenten 630 und 610 (28 und 30) bereitgestellt für die Eingabe von sterilem Gas zwischen die Unterseite 612 und die Oberseite 622 von Dichtungskomponenten 610, 620 und darum herum, welche zueinander passen und bezüglich zueinander rotieren.
Am meisten bevorzugt wird, wenn biologische Zellen in Einschließung 604 hinein zusammen mit einem ausgewählten Verarbeitungsfluid mit einer vorherbestimmten Zusammensetzung eingegeben werden, das Verhältnis der Menge von biologischen Zellen und Verarbeitungsfluid konstant gehalten zwischen allen zwei oder mehr Verarbeitungszyklen, d.h. die Verarbeitungsbedingungen, welchen alle zwei separaten Aliquote von biologischen Zellen unterworfen werden, sind identisch wie zwischen separaten Verarbeitungszyklen.
Wie ohne weiteres vorstellbar ist, kann das Volumen der Fluid-Eingabe in die Verarbeitungseinschließung 604 hinein am Anfang von jedem einzelnen Verarbeitungszyklus selektiv variiert werden, d.h. die Verarbeitungseinschließung 604 kann irgendwo zwischen 0–100% ihrer Volumenkapazität gefüllt werden, wobei das restliche angefüllte Volumen der Verarbeitungskammer 421 selektiv aufgefüllt wird durch Eingabe oder Hereinpumpen von Expressor-Fluid in einer geeigneten Menge in Einschließung 420 hinein. Am Besten ist das maximale Volumen oder die maximale Kapazität der Verarbeitungseinschließung 604 ungefähr gleich oder etwas kleiner als das Volumen der Kammer 421. Wie oben beschrieben sind die Deckklappen 415 drehbar 490 (21) zwischen offenen und geschlossenen Positionen, wobei die Klappen 415 in der geschlossenen Position in 21–23 gezeigt sind. Wenn die Klappen geöffnet sind, kann der Beutel/die Einschließung 604 in Kammer 421 hinein eingesetzt werden, und wenn die Klappen geschlossen sind, wie in 21–23 gezeigt, wird der Beutel/die Einschließung 604 innerhalb des Volumens der Kammer 421 fest gehalten. Die Klappen sind arretierbar in der geschlossenen Position, die in 21–23 geschlossenen Position, die in 21–23 gezeigt ist, durch herkömmliche Mittel wie über federbelastete Gelenke 492 oder andere herkömmliche Mittel wie Haken, Klemmen oder dergleichen. Die Unterseite 494 der Klappen hält den Beutel/die Einschließung 604 innerhalb der Kammer 421 zurück und stellt eine stationäre Oberfläche bereit, gegen welche der Beutel/die Einschließung 604 einrastet und dadurch gezwungen wird, unter dem gegenüberliegenden Druck, der durch die flexible Membran 411 auf die flexible Wand des Beutels/der Einschließung 604 ausgeübt wird, sich zusammenzudrücken, wenn der Raum 420 expandiert wird, wie zum Beispiel oben mit Bezug auf 24 und 25 beschrieben wurde. Geeignete alternative Mechanismen für Klappen 415 können zum Beispiel eine Platte oder Scheibe umfassen, welche gleitbar in eine stationäre Position ist, die der geschlossenen Position der Klappen 415 entspricht (21–23).
Der Apparat schließt einen Sensor ein zum Überwachen der Temperatur der Fluide, die in der Verarbeitungseinschließung 604 abgelegt sind. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Temperatursensor ein infrarotes IR-Thermoelement 406 (19), welches IR-Strahlung in einem Bereich von etwa 2 μm bis 10 μm detektiert, die durch ein IR-transparentes Fenster emittiert wird, das über dem Beutel/der Einschließung 604 angeordnet ist. Das transparente Fenster besteht typischerweise aus ZnSe und ist beschichtet mit einer 0,5-Mill-Schicht aus Parylene N. Die Parylene N-Beschichtung wird verwendet, um das transparente Fenster zu schützen, auch wenn sie etwas Absorption der IR-Strahlung aufweist. Andere herkömmliche Temperatursensoren können ebenfalls verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform integriert das IR-Thermoelement (z.B. IR t/c.03-J-80F/27C, hergestellt von Exergen, Corp., 51 Water Street, Watertown, MA 02172) die detektierte IR-Energie, um die Temperatur der Fluide zu bestimmen. Diese Temperatur wird korrigiert um die lokale Lufttemperatur oder Umgebungstemperatur zwischen dem transparenten Fenster und der Verarbeitungseinschließung 604. Diese Lufttemperatur wird gemessen durch einen zweiten Temperatursensor, der ein Si-Dioden-Temperatursensor ist. Die Daten von der Si-Diode werden verwendet, um die IR-Daten zu korrigieren.
Am meisten bevorzugt wird die Temperatur der Fluide, die in der Verarbeitungseinschließung 604 angeordnet sind, gesteuert, indem die Temperatur des Expresor-Fluids gesteuert wird, welches in die Expressorkammer/den Expressor-Raum 420 eingefüllt wird. Vorzugsweise wird die Quelle für Expressor-Fluid 425 (21–23 und 26), welches über Pumpe 502 in Ringspalt 458 (26) und durch Kanal 416 und letztendlich in Kammerraum 420 gepumpt wird, an eine Fluidheiz- und/oder -kühlvorrichtung 506 angeschlossen (21–23 und 26), welche gesteuert wird durch eine Heiz- und/oder Kühlsteuereinheit 504. Das Expressor-Fluid wird typischerweise durch ein Reservoir zirkuliert, innerhalb welchem das Fluid in thermischem Kontakt mit bestimmten Vorrichtungen ist, die thermische Energie zu dem Fluid oder von diesem weg transportieren als Reaktion auf einen Regelalgorithmus. Diese thermische Vorrichtung kann Peltier-Vorrichtungen, elektrische Widerstandheizstäbe, luftgekühlte Radiatoren oder andere ähnliche Vorrichtungen oder irgendeine Kombination dieser Typen von Wärmeübertragungsvorrichtungen einschließen. Das Expressor-Fluid, welches durch Kanal 416 und Rinnen 410 wandert, berührt die Oberflächen von Rotor oder Spannkopf 408 und der Membran 411 und der Wellen 450, 455. Rotor 408 und Wellen 450, 455 sind typischerweise zusammengesetzt aus einem wärmeleitfähigen Material wie Metall (z.B. Stahl, Eisen, Kupfer, Aluminium oder dergleichen) und sind folglich schnell erwärmt oder abgekühlt auf die Temperatur des Expressor-Fluids, mit welchem sie in Kontakt sind. Die Temperatur des Expressor-Fluids wird somit schnell zu den Fluiden, die in dem Verarbeitungsbeutel/der Verarbeitungseinschließung 604 angeordnet sind, geleitet über den Rotor 408, Wellen 450, 455 und durch die flexible Membran 411, welche die flexible Wand des Beutels/der Einschließung 604 innerhalb Kammer 421 berührt. Folglich kann durch Regelung der Temperatur der externen Quelle 425 für das Expressor-Fluid die Temperatur des gesamten Verarbeitungssystems einschließlich Innenkammer 421 geregelt werden.
Die Temperatur des Fluids, die durch Sensor 406 überwacht wird, kann in ein Programm oder einen Schaltkreis 508 eingespeist werden, der an eine Steuereinheit 504 angeschlossen ist (18, 21–23 und 26). Das Programm oder der Schaltkreis 508 umfassen vorzugsweise eine Subroutine, um die Temperatursteuereinheit automatisch anzweisen, die Temperatur der Expressor-Fluidquelle 425 auf eine vorherbestimmte konstante Temperatur oder eine Reihe von Temperaturen über einem vorherbestimmten Zeitraum anzuheben oder zu senken. Das Programm 508 schließt vorzugsweise einen vorherbestimmten Algorithmus ein, welcher das Temperaturinformationssignal verwendet, welches von Sensor 406 eingegeben wird, um Steuerung der Temperatursteuereinheit 504 und des Heiz- und/oder Kühlelements 506 anzuweisen, so dass die Temperatur der externen Quelle 425 von Expressor-Fluid variiert wird abhängig von der Temperatursignaleingabe von Sensor 406. In einer Ausführungsform kann die Temperatur der Quelle 425 herabgesetzt werden, indem das Erwärmen des Expressor-Fluids 425 einfach beendet wird, so dass es folglich dem Fluid 425 ermöglicht wird, passiv abzukühlen durch eigene Abstrahlung von Wärme anstatt durch aktives Kühlen.
Verarbeitungsmodul 60 schließt eine "rotierende Dichtung" ein, das ist eine Dichtung die erzeugt wird zwischen beweglichen und stationären Komponenten des Zentrifugalelements. Die Dichtung fungiert als eine Barriere zwischen dem Innenabschnitt des Systems, in welchem Verarbeitung stattfindet, der wünschenswerter Weise so mikrobenfrei wie möglich gehalten wird, und einer nicht sterilen Umgebung, welche mindestens während eines Abschnitts des Betriebs des Systems in Verbindung mit der Umgebung außerhalb des Systems ist. Die rotierende Dichtung verhindert außerdem die Streuung von Mikroben (z.B. Viren), welche in einer Zellprobe vorhanden sein können, in die äußere Umgebung.
Die rotierende Dichtung umfasst ein oberes Element und ein unteres Element, wobei ein Element sich während mindestens eines Abschnitts des Betriebs des Zellenverarbeitungssystems dreht. Die rotierende Dichtung umgibt eine axiale Öffnung, welche beabsichtigt ist, dass Zellen und/oder Zellen-Elemente und Verarbeitungsmaterialien während der Verarbeitung hindurchgehen.
Wieder bezugnehmend auf 21 und 23 ragen der erste Anschluss 632, das Kopfschutzschild-Oberteil 660 und das Kopfschutzschild-Unterteil 650 aus der Oberseite des Zentrifugen-Bechers heraus. Der rotierende Dichtungsapparat wird an dem Spannkopf durch Befestigungselemente 686 befestigt, die aus der Basis 680 herausragen. Die Befestigungselemente verbinden sich mit gegenüberliegenden Vorsprüngen, die an dem Spannkopf fest angebracht sind, wodurch die Rotationskraft des Spannkopfs auf die unteren Abschnitte des rotierenden Dichtungsapparats und den Verarbeitungsbehälter übertragen wird, an welchem die Basis 680 befestigt ist.
Wie oben beschrieben zeigt die 29 einen zusammengesetzten rotierenden Dichtungsapparat. Die Kopfschutzschild-Baugruppe ist zusammengesetzt aus dem Schutzschild-Oberteil 660, dem Schutzschild-Unterteil 650 und der Schutzschild-Kammer 670. Die Schutzschild-Kammer schließt einen nach innen gerichteten Flansch 672 ein, welcher einen entgegengesetzt gerichteten Flansch an dem Schutzschild-Unterteil überlappt. In alternativen Ausführungsformen kann die Schutzschild-Kammer einen kleineren Durchmesser als das Schutzschild-Unterteil haben und einen nach außen gerichteten Flansch haben um einen nach innen gerichteten Flansch des Schutzschild-Unterteils zu überlappen: Die Schutzschild-Kammer wird an der Basis 680 angebracht, welche wiederum an einem Verarbeitungsbehälter angebracht wird. Wie angezeigt in 31 umfasst die Basis 680 einen Flansch 682, welcher eine nach außen gerichtete Vorwölbung 684 einschließt. Wenn die Schutzschild-Kammer an der Basis befestigt wird, passt die Vorwölbung 684 in die Einbuchtung 674 auf der Innenseite der Schutzschild-Kammer, wodurch die Kopfschutzschild-Baugruppe zusammengehalten wird und die Feder 640 vorgespannt wird, um Kontakt zwischen den Dichtflächen zu erzeugen. Anschlüsse 632, 634 und 636 sind als Einlässe und Auslässe eingeschlossen für Materialien, die durch den rotierenden Dichtungsapparat zu einem Verarbeitungsbehälter hindurch gelangen, und zum Bereitstellen von Materialien zu inneren Abschnitten des rotierenden Dichtungsapparates. Diese werden ausführlicher unten beschrieben.
Bezugnehmend auf 30–33 umfasst die Rotationsdichtung ein oberes Dichtungsglied 610 und ein unteres Dichtungsglied 620. Wie in 31 gezeigt erzeugt der Kontakt der Dichtungsglieder, wenn sie gegeneinander vorgespannt sind, eine Vielzahl von Kreisdichtungen. Eine erste Dichtung 700 wird gebildet zwischen Dichtflächen 612 und 622, und eine zweite Dichtung 702 wird gebildet zwischen Dichtflächen 613 und 622. Wie in 31, 32 und 34 gezeigt ist die dichtende Oberfläche des oberen Dichtungsglieds 610 in zwei Dichtflächen 612 und 613 ausgebildet als hervorstehende Flächen, die eine Hohlkehle 618 umgeben. Die Hohlkehle bildet die oberen Begrenzungen eines Ringspalts 710 zwischen den konzentrischen Dichtungen 700, 702. Die Hohlkehle kann aus dem oberen Dichtungsglied auf Wunsch herausgeschnitten oder darin hinein gegossen werden.
Wie in 30–33 abgebildet, ist die dichtende Oberfläche des unteren Dichtungsglieds 620 nicht in hervorstehenden Flächen und Hohlkehlen ausgeformt; vielmehr bildet die Dichtfläche 622 die Vielzahl von konzentrischen Dichtungen in Verbindung mit den Dichtflächen 612 und 613 und bildet den Ringspalt in Verbindung mit der Hohlkehle 618. In alternativen Konfigurationen der rotierenden Dichtung kann das untere Dichtungsglied die Topographie von hervorstehenden Flächen und Hohlkehlen einschließen und das obere Dichtungsglied kann planar sein. In noch anderen Ausführungsformen können sowohl das obere als auch das untere Dichtungsglied hervorstehende Flächen und Hohlkehlen einschließen. Die Dichtflächen sind vorzugsweise planar, auch wenn andere Geometrien verwendet werden können, vorausgesetzt, dass eine dichte Passung erreicht werden kann zwischen stationären und rotierenden Gliedern der rotierenden Dichtung.
Die oberen und unteren Dichtungsglieder 610, 620 können außerdem jeweils axiale Öffnungen 619 bzw. 629 definieren. Nach Zusammenbau der Dichtungsglieder in axialer Ausrichtung sind die axialen Öffnungen, die erste Dichtung, der Ringspalt und die zweite Dichtung konzentrisch relativ zueinander positioniert.
Der Ringspalt 710 kann in Verbindung sein mit der äußeren Umgebung, und vorzugsweise ist er in Gasverbindung durch den Kanal 616. Der Kanal kann in jedem der beiden Dichtungsglieder 610, 620 ausgebildet sein. In bevorzugten Ausführungsformen bildet der Ringspalt 710 eine sterile Kammer. Weitere Dichtungen, getrennt durch zusätzliche Ringspalten, können außerdem in dem rotierenden Dichtungsapparat eingeschlossen sein.
Der rotierende Dichtungsapparat, der in 29–33 abgebildet ist, schließt auch einen Körper 630 ein mit Anschlüssen 632, 634 und 636, welche als Einlässe und/oder Auslässe für Material dienen, das in einen Verarbeitungsbehälter hinein und daraus heraus gelangt, an welchem der rotierende Dichtungsapparat befestigt ist. Der erste Anschluss 632 durchzieht die Axialöffnung des rotierenden Dichtungsapparats, die an Zapfen 690 endet. Der erste Anschluss dient vorzugsweise als ein Einlass in die Verarbeitungskammer hinein für Zellen, welche zu verarbeiten sind. Der erste Anschluss dient zusätzlich als der Auslass für verarbeitete Zellen im Anschluss an die Ausführung von Verarbeitungsschritten. Der erste Anschluss kann verbunden werden mit einigen Rohrleitungen, Fluidhandhabungsverteilern, Ventilen usw., wie dem Durchschnittsfachmann bekannt sein wird.
Der Fluidanschluss 636 ist in Fluidverbindung mit dem Ringspalt 638, der durch die äußere Oberfläche des ersten Anschlusses und die Wände der axialen Öffnungen 619, 629, 689, 699 des oberen Dichtungsglieds 610, des unteren Dichtungsglieds 620, der Basis 680 und des Zapfens 690 begrenzt wird. Der Fluidanschluss 636 bindet an den Ringspalt unten an. In bestimmten Ausführungsformen werden der Fluidanschluss 636 und der Ringspalt 638 verwendet für den Durchgang von Prozessmaterialien wie Waschlösungen, Puffer, Enzyme und dergleichen in den Verarbeitungsbehälter hinein. Der Fluidanschluss 636 und der Ringspalt 638 werden außerdem verwendet für den Durchgang von Abfallmaterialien aus dem Verarbeitungsbehälter heraus. Diese Auslassfunktion dient außerdem als eine Temperaturregelfunktion. Da die Dichtungsglieder des rotierenden Dichtungsapparats jeweils gegeneinander drehen, kommt es zu lokaler Reibungserwärmung des rotierenden Dichtungsapparats über Raumtemperatur. Beim Durchgang von Abfallmaterialien, welche bei Temperaturen bei oder unterhalb der Raumtemperatur sind, aus dem Verarbeitungsbehälter hinaus durch den Ringspalt 638 und Fluidanschluss 636 berühren diese den ersten Anschluss 632 und senken dadurch die Temperatur des ersten Anschlusses. Der gekühlte erste Anschluss erwärmt keine Zellen, wie es ein ungekühlter Anschluss bei Durchgang von verarbeiteten Zellen aus dem Verarbeitungsbehälter heraus durch den ersten Anschluss tun würde. Wie bei dem ersten Anschluss kann der Fluidanschluss mit einigen Rohrleitungen, Fluidhandhabungsverteilern, Ventilen usw. verbunden werden, wie dem Durchschnittsfachmann bekannt sein wird.
Der Gasanschluss 634 ist in Gasverbindung mit dem Ringspalt 710 zwischen den konzentrisch mit Abstand angeordneten Dichtungen 700, 702. Der Gasanschluss dient vorzugsweise als der Einlass zum Bereitstellen steriler Luft (oder eines anderen Gases), um den Ringspalt 710 mit Druck zu beaufschlagen. Der Gasanschluss kann mit einigen Rohrleitungen, Fluidhandhabungsverteilern, Ventilen usw. verbunden werden, um eine sterile Zufuhr von Gas bereitzustellen, wie dem Durchschnittsfachmann bekannt sein wird.
Die Basis 680 und der Zapfen 690 passen zusammen, wie in 31 abgebildet ist. Eine einzelne einheitliche Basis/Zapfen-Kombination könnte bei Bedarf ebenfalls verwendet werden. Die Basis 680 dient sowohl als eine Befestigung für das untere Dichtungsglied 620 als auch als eine Befestigung für die Schutzschild-Klammer 670 mittels des Flanschs 682 und der Vorwölbung 684. Die Basis wird an dem Verarbeitungsbehälter befestigt, um Fluidverbindungen des ersten Anschlusses 632 und des Fluidanschlusses 636 mit dem Inneren des Verarbeitungsbehälters bereitzustellen. Eine Vielzahl von Befestigungselementen 686 kann durch dichte Abschnitte des Verarbeitungsbehälters hindurchgehen und kann diesen an dem Spannkopf einer Zentrifuge befestigen, um die Rotation des Zentrifugenspannkopfs mit der Basis, dem Verarbeitungsbehälter und dem unteren Dichtungsglied des rotierenden Dichtungsapparats zu verbinden. Andere Mittel zum Sichern des rotierenden Dichtungsapparats und des Verarbeitungsbehälters an der Zentrifuge zum Bereitstellen von Rotation für den Verarbeitungsbehälter sind dem Durchschnittsfachmann gut bekannt.
Die Feder 640 ist in 30–33 abgebildet und umfasst ein hohles, allgemein zylindrisch geformtes elastisches Glied mit gewölbten Seiten. Die Feder ist zwischen dem Kopfschutzschild-Oberteil 660 und dem Körper 630 angeordnet. Wie abgebildet ist die Feder mit Flanschen 642, 644 an ihrem oberen und unteren Ende versehen. Der untere Flansch 644 passt in eine ringförmige Vertiefung 631, die im Körper ausgeformt ist. Der obere Flansch 642 passt gegen das Kopfschutzschild-Oberteil. Nach Zusammenbau der rotierenden Dichtungsapparats durch Einschnappen der Kopfschutzschild-Klammer an der Basis ist die Feder ausgelenkt aus einer ersten Position in eine zweite Position, welche eine "Vorbelastung" von Kontaktkräften auf die Dichtungsglieder bereitstellt. Wenn der rotierende Dichtungsapparat in einer Zentrifuge eingeschlossen ist, kann die Feder in eine dritte Position größerer Auslenkung ausgelenkt werden, wodurch eine erhöhte Kontaktkraft auf die Dichtungsglieder bereitgestellt wird, wodurch eine gesteigerte Dichtung erzeugt wird.
Im Gegensatz zu den Schraubenfedern liefert die zylindrische Feder eine konstante Vorspannkraft über einen weiten Kompressionsbereich. Die Feder hat eine Höhe h, welche die Achse der Auslenkung oder Kompression beschreibt, eine Breite w, welche den Durchmesser der Feder in nicht ausgelenkter oder ausgelenkter Position beschreibt, eine Dicke t und einen Bogen a. Die Höhe wird, wenn die Feder aus der ersten Position komprimiert wird, reduziert von h₁ auf h₂. Ähnlich wird die Federbreite vergrößert von w₁ auf w₂. Die Feder liefert konstante Vorspannkraft über ein Δh von mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 20%, besser mindestens 30% und am besten mindestens 50%. Weiter liefert die Feder konstante Vorspannkraft über ein Δw und mindestens 1%, vorzugsweise mindestens 2%, besser mindestens 5% und am besten mindestens 10%. Der Bereich der Kompression, über welchen die Vorspannkraft konstant ist, kann außerdem beschrieben werden durch das Verhältnis Δh:Δw, wobei die Feder ein relativ großes Δw bei einem entsprechenden Δh erfährt. Die Dicke t der Feder sollte nicht zu groß sein, um die Wölbung der zylindrischen Seiten bei Kompression der Feder zu behindern. Ein Bereich der Dicke und Bögen wird nützlich sein, um richtiges Wölben bereitzustellen; dieser Bereich kann von einem Durchschnittsfachmann leicht bestimmt werden, durch nicht mehr als Routineexperimentation, und kann abhängig sein von dem einzelnen elastomeren Material, das für die Herstellung der Feder gewählt wurde. Die geeignete Dicke und geeigneten Bögen können ausgedrückt werden in Form von Verhältnissen h:t und h:a, wenn h, t und a in ausgelenkten oder nicht ausgelenkten Positionen gemessen werden.
Der rotierende Dichtungsapparat kann als "geschlossene" Vorrichtung bestätigt werden und produziert dadurch ein Produkt mit längerer Lagerfähigkeit als rotierende Dichtungsvorrichtung früherer Technik. Eine zweite Ringdichtung, die auf dem Umfang um die erste oder innere Dichtung herum bereitgestellt wird, liefert eine weitere Sicherstellung der Dichtungsintegrität. Um die Sterilität des Inneren der Dichtung und des Verarbeitungsbehälters noch weiter zu fördern, kann der Ringspalt 710 mit steriler Luft gefüllt werden, und weiter kann eine Druckdifferenz erzeugt werden, so dass die sterile Luft in dem Ringspalt bei einem Druck ist, der höher ist als der Druck in der umgebenden Kammer, die durch das Kopfschutzschild gebildet wird. Deshalb kann das Strömungsmuster des hydrodynamischen Films weg von dem sterilen Inneren und in Richtung der Räume außerhalb der rotierenden Dichtung gerichtet werden. Weiter kann die Kammer, die durch das Kopfschutzschild gebildet wird, versehen werden mit einer regelmäßigen Zufuhr von steriler Luft bei einem Druck, der kleiner ist als der in dem Ringspalt 710, aber höher als der Umgebungsdruck. Diese "doppelte Redundanz" der zwei sich umgebenden sterilen Kammern bei abgestuften Drücken ist theoretisch analog zu dem, was bei dem Entwurf von Reinräumen zum sterilen Abfüllen von Pharmazeutika verwendet wird.
Der Ringspalt 710 kann mit einem Gas oder einer Flüssigkeit gefüllt werden; vorzugsweise ist das Gas oder die Flüssigkeit im Wesentlichen steril. Der eingeschlossene Raum erzeugt dadurch eine Barriere für die Mikroben oder andere partikelförmige Materialien, die in das Innere des Zellenverarbeitungssystems hinein oder daraus heraus gelangen. Das Gas oder die Flüssigkeit können in den eingeschlossenen Raum durch einen Kanal eingeführt werden, welcher durch die oberen und unteren Elemente hindurch oder zwischen diesen hindurchgeht. Zum Beispiel kann bezugnehmend auf 31 Luft durch ein 0,2-Mikron-Filter gepumpt werden, um Sterilität sicherzustellen, und dann durch den Gasanschluss 634 gepumpt werden zu dem Kanal 616 und in den Ringspalt 710. Wahlweise kann der Ringspalt 638, der zwischen der Innendichtung 700 und dem ersten Anschluss 632 gebildet wird, unter Druck gesetzt werden, zum Beispiel wenn der Ringspalt 638 keine Reagenzien in den Verarbeitungsbehälter 604 befördert oder Abfallflüssigkeiten aus dem Verarbeitungsbehälter heraus befördert. Vorzugsweise wird der Ringspalt 710 mit steriler Luft unter Druck gesetzt bei einem Druck, der leicht über dem Atmosphärendruck liegt. Zum Beispiel ist bestimmt worden, dass ein Luftdruck von ungefähr 0,25 PSIG ausreicht, um eine druckbeaufschlagte Umgebung in dem Ringspalt bereitzustellen, um die Dichtfunktion der Dichtungsglieder zu verbessern. Andere Drücke und Gase können ebenfalls verwendet werden auf eine ähnliche Weise, wie dem Durchschnittsfachmann ersichtlich sein wird. In alternativen Ausgestaltungen wird der Ringspalt unter Druck gesetzt relativ zu dem Äußeren und dem Inneren des rotierenden Dichtungsapparats, indem der Außenraum und/oder Innenraum (z.B. der Raum innerhalb des Kopfschutzschildes und/oder der Ringspalt 638) evakuiert wird mittels einer Vakuumpumpe oder einer anderen Vorrichtung, welche eine Druckeffizienz erzeugt.
Die sterile Luft kann von einem druckbeaufschlagtem Tank bereitgestellt werden, der ein genaues Druckregelventil verwendet, um den Tankdruck auf einen Pegel zu reduzieren, der leicht positiv relativ zum Umgebungsdruck ist (z.B. 0,25 PSIG). Ein Computer-Softwaregesteuerter "Watchdog-Schaltkreis" kann in Verbindung mit dem Ringspalt 710 gesetzt werden, um auf eine detektierbare Weise anzuzeigen, falls und wann unerwünschte Druckpegel im Inneren des Zellenverarbeitungssystems auftreten. Außerdem können Änderungen des Drucks in dem Ringspalt, die durch einen Druckmonitor detektierbar sind, einen Systembediener warnen, dass eines der Dichtungselemente durchgebrochen ist und/oder die Barrierefunktion des Ringspalts gestört worden ist.
Eine zweite redundante sterile Kammer kann erzeugt werden durch die Kopfschutzschild-Baugruppe (Schutzschild-Oberteil, Schutzschild-Unterteil und Schutzschild-Klammer), die sowohl das erste als auch das zweite Dichtungsglied umgibt. Sterile Luft kann zu dieser Kammer zugeführt werden bei einem Druck der kleiner ist als der des Ringspalts zwischen den Dichtungen aber größer als die umgebende Raumbedingung. Die Strömung der Luft ist von Bereichen höheren Drucks zu Bereichen niedrigeren Drucks. Deshalb kann die Strömung von steriler Luft aus dem Inneren der Dichtung und in eine nach außen gerichtete Richtung geleitet werden. Eine potenzielle mikrobielle Verunreinigung kann somit aus dem sterilen Innenraum der Dichtung durch diesen Strömungsvektor weggespült werden.
Eine Serpentinen-Dichtung 676 ist ausgebildet zwischen der engen Toleranz der gegenüberliegenden Flansche 672, 652 des Schutzschild-Oberteils und der Schutzschild-Klammer. Die Serpentinen-Dichtung kann Scherkräfte erzeugen zwischen den Oberflächen der Flansche, welche verhindern, dass partikelförmiges Material von der Außenseite des Schutzschildes in das Schutzschild und somit in die Dichtungsbaugruppe eindringt. Im Allgemeinen fungiert die Serpentinen-Dichtung als eine physikalische Barriere, wenn nicht eine Dichtung, für Verunreinigungsstoffe außerhalb des rotierenden Dichtungsapparats.
Der rotierende Dichtungsapparat kann aus zwei konzentrischen Lippendichtungen oder zwei konzentrischen Zylinderdichtungen gebildet werden. Zwischen Lippendichtungen oder Zylinderdichtungen ist ein Ringspalt analog zu Ringspalt 710. Der Ringspalt steht in Verbindung mit einer Quelle von Gas oder Flüssigkeit (z.B. sterile Druckluft). Zusätzliche Dichtungstypen werden dem Durchschnittsfachmann bekannt sein.
In Betrieb wird der rotierende Dichtungsapparat als eine teilmontierte Vorrichtung bereitgestellt, korrekt vorbelastet durch eine Federvorspannkraft, um Dichtungen zwischen den oberen und unteren Dichtungsgliedern zu erzeugen. Der rotierende Dichtungsapparat wird in einer Zellenverarbeitungssystem-Zentrifugalvorrichtung platziert, zum Beispiel indem er an einem Zentrifugenspannkopf durch die Befestigungselemente 686 befestigt wird. Schließen der Zentrifugalvorrichtung verursacht die Kompression der Feder bis zu einer dritten Position, wodurch die Dichtungen in näheren Kontakt als den Vorlastkontakt gezwungen werden und der enge Kontakt während der Rotation beibehalten wird. Die Anschlüsse 632, 634 und 636 sind mit einem geeigneten Satz von Rohrleitungen, wahlweise über Verbindungsstücke, verbunden, um Zellen, Prozessmaterialien, sterile Luft usw. zu dem rotierenden Dichtungsapparat und dem Verarbeitungsbehälter zu liefern. Bei Rotation der Zentrifugalvorrichtung bleiben das obere Dichtungsglied der Körper, das Kopfschutzschild-Oberteil und -unterteil stationär, und das untere Dichtungsglied, die Basis (und angelagerter Verarbeitungsbehälter) und Kopfschutzschild-Klammer rotieren, während die Integrität der Dichtung beibehalten wird.
Die Dichtflächen der oberen und unteren Dichtungsglieder können aus einer Vielzahl von Materialien geformt oder hergestellt werden, die dem Durchschnittsfachmann gut bekannt sind. Geeignete Materialien umfassen Keramik, Kohlenstoff-Phenolharz, Graphit und Graphitderivate, schmierende Kunststoffmaterialien wie Nylon, Delrin, Teflon, Rulon, Bronze und Legierungen davon, Edelstahl, Kohlenstoffnitrite usw. Die Dichtungsglieder können als ein einziges Stück oder als separate Dichtungsabschnitte und Trägerabschnitte des Dichtungsglieds gefertigt werden. Die Dichtungsglieder können zum Beispiel durch Spritzgießen oder ein anderes Herstellungsverfahren gefertigt werden, gefolgt von eben machen der Dichtflächen (z.B. durch Schleifen oder Läppen) und Polieren. Die so behandelten Dichtungsglieder haben Dichtflächen, welche, wenn sie sich berühren, Fluiddurchgang im Wesentlichen verhindern. Bevorzugte Materialien umfassen Keramik und Kohlenstoff-Phenolverbindungen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die oberen und unteren Dichtungselemente aus Keramik gebildet, welche geläppt und poliert ist.
Andere Teile des Apparats werden aus verschiedenen Polymermaterialien ausgebildet, welche vorzugsweise FDA-zugelassen sind für medizinische Vorrichtungen. Das Kopfschutzschild-Oberteil 660, das Kopfschutzschild-Unterteil 650 und die Kopfschutzschild-Klanvner 670 sind vorzugsweise aus hochschlagfestem Polystyrol (HIPS) ausgebildet, auch wenn jeder beliebige feste Kunststoff, der dem Durchschnittsfachmann bekannt ist, welcher einige elastomere Eigenschaften hat, verwendet werden kann. Der Körper 630 und die Basis 680 sind bevorzugt aus Polycarbonat ausgebildet, welches gute Festigkeit und Stabilität liefert. Andere ähnliche Materialien können ebenfalls verwendet werden.
Die Feder 640 ist aus einem elastomeren Material ausgebildet, und ist vorzugsweise aus einem Silikonmaterial mittlerer Härte (Durometer) ausgebildet wie thermisch härtbares Silikon oder Flüssigdruckguss (Liquid Injection molding)-Silikon. Man könnte außerdem verschiedene Gummimaterialien für die Feder verwenden, vorzugsweise Materialien, welche FDA-zugelassen sind für medizinische Vorrichtungen.
Die vorliegende Erfindung kann in einer Vielzahl von Zellen- und Zellen-Elementverarbeitungsverfahren verwendet werden, einschließlich Sammeln und/oder Waschen von roten Blutkörperchen, Blutplättchen, Lymphozyten, Granulozyten, Monozyten und Stammzellen (z.B. aus peripherem Blut, Knochenmark oder Nabelschnurblut) sowie andere Verfahren wie Virusinaktivierung. Das Zellenverarbeitungssystem kann in Verfahren zum enzymatischen Umwandeln des Bluttyps verwendet werden. Andere Verwendungen für den rotierenden Dichtungsabschnitt des Apparats werden dem Durchschnittsfachmann bekannt sein.

Claims

Vorrichtung zum selektiven Ausgeben von einem oder mehreren Fluidmaterial(ien) aus einem Fluidbehälter (604), das/die jeweils eine gegebene Dichte aufweist/aufweisen, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Zentrifugenrotor (408) mit einer runden Zentrifugenkammer (420, 421, 426), wobei der Zentrifugenrotor durch einen Motormechanismus um eine Mittelachse (430) gedreht werden kann, wobei der Rotor (408) einen Kanal (410) umfasst, der in einer Wand der Kammer (421) vorgesehen ist, wobei sich der Kanal nahe von der Mittelachse (430) bis nahe zu einem Kreisumfang (409) des Rotors erstreckt; eine runde expandierbare Einlage, die vorgesehen ist innerhalb der Zentrifugenkammer in fluider Kommunikation mit einem Einlass-/Auslass-Anschluss (475) für ein Expressorfluid, das eine Dichte aufweist, die größer ist als die des einen oder der mehreren Fluidmaterials/Fluidmaterialien, wobei die Einlage eine Rotationsachse, die mit der zentralen Rotationsachse übereinstimmt, und eine flexible Wand aufweist; einen Fluidbehälter (604), der sich koaxial innerhalb der Zentrifugenkammer (426) befindet und der eine runde Einlage mit einer flexiblen Wand (418) und einem Auslass-Anschluss (470) umfasst, um es zu ermöglichen, dass Fluidmaterialien von dem in Verwendung befindlichen Behälter (604) ausgegeben werden; eine Pumpe (502) zum steuerbaren Pumpen von Expressorfluid in und aus der expandierbaren Einlage (411) durch den Einlass-/Auslass-Anschluss (475); und einen Haltemechanismus (415), um den Fluidbehälter (604) innerhalb der Zentrifugenkammer in einer koaxialen Position zu halten, wobei die flexible Wand (418) des Fluidbehälters (604) sich in Kontakt befindet mit der flexiblen Wand der expandierbaren Einlage (411).
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die expandierbare Einlage eine flexible Membran (411) umfasst, die abdichtend an einer Oberfläche des Rotors (408) angebracht ist, um die Zentrifugenkammer (420, 421) aufzuteilen in eine erste Kammer zum Aufnehmen des Fluidbehälters (604) und eine zweite Fluid-abgedichtete Kammer zum Aufnehmen von Expressorfluid.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die flexible Wand (411) der expandierbaren Einlage aus einem elastomeren flächigen Material besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter umfassend eine Expressorfluidquelle (425) und einen Heizmechanismus (506) mit einem Steuerungsmechanismus (504) zum selektiven Steuern der Temperatur des Expressorfluids.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, sofern diese abhängig sind von Anspruch 2, wobei der Fluidbehälter (604) einen ersten Radius aufweist, und die Fluid-abgedichtete Kammer einen zweiten Radius aufweist, der wenigstens gleich dem ersten Radius ist, wobei die Anordnung so ist, dass in die Fluid-abgedichtete Kammer gepumptes Expressorfluid zu einer Umfangsposition innerhalb der zweiten Fluidabgedichteten Kammer wandert, die sich radial weiter außen von der Mittelachse (430) befindet als eine Umfangsposition, zu der das eine oder die mehreren ausgewählte(n) Fluidmaterial(ien) in dem Fluidbehälter (604) wandert/wandern, wenn der Rotor (408) bei seiner Verwendung um die Mittelachse (430) gedreht wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend einen Mechanismus (40) zum Füllen des Fluidbehälters (604) mit einem vorausgewählten variablen Volumen des einen oder der mehreren Fluidmaterials/Fluidmaterialien, das kleiner ist als das Volumen der Zentrifugenkammer.
Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Mehrzahl an Kanälen (410), von denen sich jeder radial nach Außen von der Mittelachse in die Nähe eines Kreisumfangs (409) des Rotors erstreckt.
Ein automatisiertes Zellverarbeitungssystem (10), umfassend eine Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche.