ES2235007T3

ES2235007T3 - Dispositivo y procedimiento de separacion.

Info

Publication number: ES2235007T3
Application number: ES02701880T
Authority: ES
Inventors: Thomas Laurell; Mats Allers; Henrik Jonsson; Hans W Persson; Andreas Nilsson; Filip Petersson
Original assignee: ERYSAVE IDEON AB
Current assignee: ERYSAVE IDEON AB
Priority date: 2001-03-09
Filing date: 2002-03-11
Publication date: 2005-07-01
Anticipated expiration: 2022-03-11
Also published as: DE60202517D1; JP4259872B2; CA2439257C; JP2004535912A; EP1365849B1; EP1365849A1; SE522801C2; SE0100819D0; SE0100819L; WO2002072235A1; ATE286426T1; CA2439257A1; US6929750B2; DE60202517T2; US20040069717A1

Abstract

Dispositivo para separar partículas suspendidas de un fluido, que comprende una unidad de canal dispuesta en una placa (51) que presenta unas primera y segunda grandes superficies opuestas, comprendiendo dicha unidad de canal troncal de base (110) que presenta unas paredes sustancialmente paralelas, o casi paralelas, (810, 820) perpendiculares a dichas superficies, presentando dicho canal troncal de base una entrada (160) y, opuesto a dicha entrada, un punto de bifurcación (175) conectado a dos o más salidas diferentes (170, 180, 190) y unos medios de oscilación ultrasónica (53, 150) para proporcionar energía mecánica a un fluido en dicha unidad de canal, de tal modo que dichas partículas estén concentradas en unas capas laminares en el canal troncal de base, sustancialmente paralelas a dichas paredes troncales de base, en el que dicho punto de bifurcación está diseñado para separar partículas, dispuestas en dichas capas laminares en un fluido que circula por dicho canal troncal de base, hacia dichas diferentes salidas, caracterizado porque dicha unidad de canal está formada como parte de una capa de material próxima a dicha primera gran superficie y estando dichos medios de oscilación ultrasónica dispuestos en contacto con dicha segunda gran superficie para proporcionar energía mecánica a dicha placa, de tal modo que se origine un campo de ondas estacionarias entre las paredes troncales de base.

Description

Dispositivo y procedimiento de separación.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un dispositivo y a un procedimiento según el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 25. Particularmente, se refiere a un dispositivo y a un procedimiento para separar un fluido que contiene partículas suspendidas en fracciones de más alta y más baja concentración de dichas partículas suspendidas, utilizando ondas estacionarias ultrasónicas y microtecnología.

Antecedentes de la técnica

Es conocido que cuando las partículas de un fluido se someten a un campo de ondas estacionarias acústicas, las partículas se desplazan a lugares en los nodos de ondas estacionarias o en relación con los mismos. Se conocen varios intentos para emplear un campo de ondas estacionarias ultrasónicas destinadas a la manipulación o separación.

En el documento WO 00/04978 se describe un dispositivo para realizar la manipulación de partículas suspendidas en un fluido. Dicho dispositivo comprende un conducto para el flujo de un fluido en el que están suspendidas partículas y un transductor acústico y un reflector para establecer un campo de ondas estacionarias acústicas a lo ancho de dicho conducto, siendo el espaciado entre el transductor y el reflector de 300 \mum o menor.

En un resumen de la cuarta conferencia europea anual sobre tecnologías de microescala y nanoescala para las ciencias biológicas (NanoTech 2000), Hawkes y Coakley describen un "filtro de partículas de campo de fuerzas, que combina flujo laminar y ondas estacionarias acústicas" con una longitud de recorrido acústico en ángulo recto con un flujo de 0,25 mm.

En el documento WO 98/50133 se da a conocer un dispositivo para realizar la manipulación de partículas suspendidas en un fluido. Dicho dispositivo comprende un conducto para el flujo de un fluido, en el que están suspendidas las partículas, disponiendo dicho conducto de medios para establecer un campo de ondas estacionarias acústicas, de modo que las partículas se desplacen para formar bandas paralelas. El conducto comprende una expansión en anchura.

En el boletín de divulgación técnica de IBM, vol. 25, nº 1, Junio de 1982, páginas 192/193, se da a conocer un separador ultrasónico de plasmaféresis de flujo continuo, que comprende dos transductores ultrasónicos montados ortogonalmente, con un reflector cada uno y un volumen entre sí en el que la suspensión diluida está sometida a un campo de ondas estacionarias acústicas.

En el documento JP 06241977 A se describe un instrumento de medición de partículas finas que usa una onda ultrasónica estacionaria con un nodo en el centro de una célula de flujo para centrar y concentrar partículas finas.

En el documento EP 0 773 055 A2 y A3 se describe un procedimiento y un aparato para la manipulación de partículas por medio de una fuerza de radiación acústica. El aparato comprende una cámara para alojar el fluido que contiene las partículas que se van a concentrar, filtrar o disponer, y una pluralidad de fuentes ultrasónicas dispuestas para formar contacto directo o indirecto con el fluido. El aparato comprende también un dispositivo de control para controlar dichas fuentes ultrasónicas para generar un haz ultrasónico obtenido por superposición de haces ultrasónicos procedentes de dichos haces ultrasónicos entre sí, teniendo dichos haces unas magnitudes concretas de la intensidad, frecuencia y etapa.

En los documentos WO 93/19367 A2 y A3 se describe un procedimiento y un aparato para la agregación de partículas, comprendiendo dicho aparato un tubo para contener una muestra de un líquido y un transductor ultrasónico dispuesto para generar un campo ultrasónico de ondas estacionarias transversal al tubo. La onda estacionaria presenta un cambio progresivo en la amplitud de la presión transversal al tubo, de tal modo que, al utilizar el aparato, las partículas en suspensión se desplazan en sentido transversal desde el tubo a una o más zonas predeterminadas. Tras finalizar la exposición a la onda estacionaria, se deja que las partículas se sedimenten y puedan inspeccionarse a continuación. Un uso bien apreciado del aparato comprende la realización de ensayos de aglutinación inmumológica. El documento se basa en las patentes US nº 5.665.605 y US nº 5.912.182.

En el documento JP 07 047259 A se describe un aparato para transportar partículas finas en un fluido con ondas ultrasónicas. El aparato comprende numerosos elementos generadores de ondas ultrasónicas, dispuestos en dos dimensiones sobre dos placas planas. Entre las placas puede depositarse una solución.

Sumario de la invención

La presente invención se refiere a un dispositivo y a un procedimiento que presentan las características descritas en la parte caracterizante de la reivindicación 1 y en el contenido principal de la reivindicación 25, respectivamente. De este modo, se proporciona un dispositivo y un procedimiento para separar partículas desde fluidos, utilizando los efectos de los ultrasonidos, flujo laminar y ondas estacionarias, que comprenden canales de microtecnología formados en la parte superficial de una placa, con puntos de bifurcación integrados u horquillas de bifurcación y una fuente de ultrasonidos dispuesta en estrecho contacto con una superficie opuesta de dicha placa.

Las ondas estacionarias se generan en los canales, de tal modo que las partículas suspendidas en el fluido sean conducidas a determinadas láminas de dicho fluido y que una o más de dichas láminas se formen desprovistas de partículas o se formen transportando partículas de propiedades diferentes a las citadas en primer lugar. Dichas láminas se disponen así perpendiculares a dicha placa, lo que es importante porque la bifurcación de un canal debe tener lugar en el interior de la placa, de modo que una conexión con otro canal puede tener lugar también dentro de la misma placa. Sus ventajas se pondrán más claramente de manifiesto a continuación.

Una de las características de la invención es que la fuente de ultrasonidos está dispuesta en contacto perpendicular con la placa, transportando energía ultrasónica en una dirección que es perpendicular a la placa. Los inventores han probado y demostrado que en la presente invención, como resultado de las dimensiones de los canales y las propiedades de la placa y el transmisor ultrasónico, se genera una onda estacionaria que alcanza desde una pared lateral de un canal a la pared lateral opuesta del mismo canal. En condiciones normales, podría esperarse que dicha disposición generaría (solamente) una onda estacionaria que alcance desde una pared inferior a una pared superior de dicho canal, continuando en una dirección del flujo de energía original.

Asimismo, los inventores se han percatado de la gran importancia de esta idea. Dado que, según la invención, la fuente ultrasónica no tiene ahora que formar parte del plano o capa en los que están ubicados los canales y se dispone de espacio para empaquetar más canales en un espacio limitado, se amplía, en gran medida, las posibilidades de fabricar dispositivos con numerosos canales paralelos, que proporcionan una gran capacidad para la separación de partículas. También se podría conseguir, con facilidad, un alto grado de separación de partículas, mediante una disposición en serie de unidades de separación, según se explicará a continuación. La capacidad de un proceso de alto rendimiento, en paralelo y en serie, de un fluido utilizando ultrasonidos es, pues, una parte esencial y una consecuencia del diseño de la invención.

Todo lo anterior es posible gracias a que los canales y los puntos de bifurcación están formados en un plano, que comprende una pieza de material o en unas pocas piezas de material estrechamente vinculadas entre sí. No se usan reflectores especiales ni elementos similares. Asimismo, es posible utilizar más de una fuente de ultrasonidos. Se disponen divisores delgados para separar los flujos laminares después de los puntos de bifurcación, mejorando así la eficacia del dispositivo. El dispositivo se fabrica, preferentemente, empleando la tecnología del silicio, que ofrece la posibilidad de pequeñas dimensiones precisas y la energía ultrasónica se podría proporcionar, preferentemente, por un elemento piezoeléctrico que, a su vez, se podría activar desde una unidad de control capaz de suministrar energía eléctrica de determinada forma, frecuencia y potencia.

La invención se define en las reivindicaciones 1 y 25 adjuntas, mientras que unas realizaciones preferidas se establecen en las reivindicaciones subordinadas.

Breve descripción de los dibujos

La invención se describirá a continuación haciendo referencia a los dibujos adjuntos en los que:

la figura 1 ilustra una vista superior de una disposición de un sistema de canales en cruz;

la figura 2 ilustra una vista en perspectiva del objeto de la figura. 1;

la figura 3 ilustra una vista inferior del objeto de la figura 1;

la figura 4 ilustra una vista lateral del objeto de la figura 1;

la figura 5 ilustra una vista superior de una disposición repetida;

la figura 6 ilustra una vista superior detallada de un punto de bifurcación de una disposición en paralelo;

la figura 7 ilustra unas ondas estacionarias en el espacio entre dos paredes;

la figura 8 ilustra una vista en sección transversal del dispositivo;

la figura 9 ilustra, de forma esquemática, una separación utilizando una onda estacionaria de un nodo;

la figura 10 ilustra, de forma esquemática, una separación utilizando una onda estacionaria de dos nodos;

la figura 11 ilustra, de forma esquemática, un dispositivo de lavado en serie de un solo nodo y tres etapas;

la figura 12 ilustra, de forma esquemática, un concentrador en serie de un solo nodo y tres etapas;

la figura 13 ilustra, de forma esquemática, un concentrador y un dispositivo de lavado integrados de cuatro etapas y un solo nodo;

la figura 14 ilustra una vista superior de una realización con ángulos de bifurcación etiquetados;

la figura 15 ilustra una disposición en paralelo de ocho unidades de canales;

la figura 16 ilustra la disposición en paralelo de la figura 15 en perspectiva;

la figura 17 ilustra, de forma esquemática, una disposición en serie de dos unidades de canales

la figura 18 ilustra una separación de dos clases diferentes de partículas con distinta densidad;

la figura 19 ilustra una unidad de canal con sus entradas y salidas;

la figura 20 ilustra la unidad de canal de la figura 19 incluyendo partículas;

la figura 21 ilustra, de forma esquemática, una disposición radial de las unidades de canal;

la figura 22 ilustra la realización de la figura 21 en perspectiva.

Descripción detallada de la invención

Con referencia a las figuras 1, 2 y 8, una realización de la invención comprende una placa 51, 851 con un sistema de canales integrados, con un canal troncal de base 110 y un brazo izquierdo 120, un brazo derecho 130 y un brazo central 140. Las paredes troncales de base 810, 820 son simultáneamente perpendiculares a la placa 51, y paralelas o casi paralelas entre sí, y al flujo, lo que es un requisito previo para el establecimiento de ondas estacionarias a través del canal en toda su profundidad y longitud; véase a continuación,

En la parte posterior de la placa 51, se dispone de unos medios para proporcionar energía ultrasónica a la placa, en la forma de un elemento piezoeléctrico 150, 853. El dispositivo funcionará de la siguiente manera:

Un fluido, con partículas suspendidas, que entra en el canal troncal de base 110 en la entrada 160, fluirá hacia el punto de bifurcación 175 debido a un gradiente de presión preparado, cuyo gradiente se podría crear, por ejemplo, por una bomba de aspiración, una bomba de presión, una jeringa o simplemente por gravedad. Controlando la frecuencia de los ultrasonidos y con el uso de determinadas frecuencias adecuadas a las dimensiones del canal troncal de base 110, particularmente la anchura 185 de dicho canal troncal 110, se forma una configuración de ondas estacionarias en el fluido, dentro de dicho canal troncal 110. Particularmente, se formará una configuración de ondas estacionarias ortogonal a la dirección del flujo entre una pared lateral izquierda 810 y una pared lateral derecha 820 del canal troncal de base 110. Nodos de presión se formarán en mayor número en la parte central del canal que en las paredes, en donde se formarán antinodos de presión. Durante dicho flujo, las partículas en el fluido tenderán a acumularse en nodos de dicha configuración de ondas estacionarias o en determinadas capas en relación con los nodos, dependiendo de la densidad/impedancia acústica de las partículas, en relación con el fluido circundante. Las partículas, con una densidad mayor que la del fluido circundante, tenderán a acumularse en los nodos, mientras que las partículas con una densidad inferior a la del fluido circundante tenderán a acumularse en los antinodos. Las capas de fluidos examinadas a continuación son las capas paralelas a las paredes laterales 810, 820 del canal troncal de base 110.

Dependiendo de la densidad/impedancia acústica, del tamaño y del peso de las partículas, se formarán determinadas configuraciones de acumulaciones de partículas. Esto constituye una ventaja cuando se separan partículas de un determinado peso y/o tamaño desde un medio que contiene un espectro de partículas de densidad/impedancia acústica diferentes. En general, las partículas con una densidad superior a la densidad del fluido circundante se acumulan en los nodos y las partículas que tienen una densidad inferior a la del fluido sin partículas se acumulan en los antinodos. Proporcionando una horquilla de bifurcación con dos ramas o brazos laterales y una sola rama o brazo central 140 según se ilustra en la figura 1, 6 u 8, es posible separar dichas partículas. Los brazos o canales tras el punto de bifurcación están dispuestos preferentemente con un espaciado adaptado a la longitud de onda, p.e. una distancia entre centros de aproximadamente 3/8 de una longitud de onda.

Dependiendo de las condiciones de resonancia, consultar figura 7, se obtendrán resultados diferentes. Para una condición de un solo nodo, el resultado de lo anterior es que las capas de fluido, cerca de las paredes troncales de base 110, contendrán una concentración decreciente de partículas de alta densidad, a medida que el fluido circule a lo largo de dicho canal troncal 110, en dirección hacia el punto de bifurcación 175. En dicho punto de bifurcación 175, el fluido que se origina principalmente desde las partes centrales de la corriente de fluido en el canal troncal 110, debido a su flujo laminar, continuará su movimiento recto hacia delante y entrará en el brazo central 140. El fluido, que se origina desde la corriente de fluido que aparece cerca de las paredes del canal troncal 110, se desviará hacia el brazo izquierdo 120 (desde la pared izquierda) y hacia el brazo derecho (desde la pared derecha). Las fracciones de fluidos que contengan una baja concentración de partículas alta densidad pueden recogerse, a continuación, en la salida izquierda 170 y en la salida derecha 180. La fracción de fluido que contiene una alta concentración de partículas de alta densidad se puede recoger en la salida superior 190. En la figura 9 se ilustra cómo varias partículas de alta densidad (densidad superior a la del fluido circundante) se acumulan en una división central o canal con una salida central 91, mientras que el fluido con una concentración baja o nula de dichas partículas fluye hacia las divisiones laterales y salidas 92. A título de comparación, la figura 10 ilustra una forma de utilizar una configuración de ondas estacionarias binodal para desplazar las partículas, de tal modo que se puedan recoger en dos divisiones laterales, provistas de salidas 102. El fluido con concentración baja o nula de dichas partículas fluye hacia la división central y salida 101. Un efecto similar se podría lograr también usando cinco divisiones o canales, donde los canales más laterales y el canal central recogen el fluido con concentración baja o nula de partículas de alta densidad y los otros dos canales recogen el fluido con una alta concentración de dichas partículas, p.e. n=3 a continuación.

Controlando la frecuencia del ultrasonido que crea el campo de ondas estacionarias es posible generar una onda estacionaria entre las paredes laterales del canal troncal de base 110 con una longitud de onda estacionaria de 0,5, 1,5, 2,5, etc., longitudes de onda, es decir, n veces 0,5 longitudes de onda, n=1, 3, 5, 7...., véase figura 7. Un dispositivo según la invención, que utiliza la capacidad de la invención para separar partículas en los nodos y antinodos, podría presentar, por lo tanto, un número de canales, después del punto de bifurcación, en correspondencia con el número de nodos más el número de antinodos en el campo de ondas estacionarias. Por ejemplo, frecuencias que presenten 0,5, 1,5 y 2,5 longitudes de onda a través del canal troncal de base 110 podrían tener 3, 5 y 7 canales en correspondencia.

Realizaciones preferidas de la invención comprenden, por lo tanto, unos medios para controlar la frecuencia del medio generador de ultrasonidos. En la figura 8 se ilustra cómo una unidad de control 863 (representada en una escala distinta) se puede conectar al elemento piezoeléctrico 853. Dicha unidad de control 863 es capaz de suministrar energía eléctrica a dicho elemento 853. Dicha energía eléctrica es controlable con respecto a la forma de onda, frecuencia y potencia, donde dicha forma de onda es controlable para ser una de entre, sin limitación, onda sinusoidal, onda triangular u onda cuadrada.

Otras realizaciones de la invención comprenden la bifurcación y la "trifurcación" de diferente forma, integradas en la misma pieza de material y con la finalidad global de dividir el flujo laminar de fluido.

En la figura 6 se ilustra un detalle de otra realización en donde el punto de bifurcación comprende la bifurcación del canal troncal de base 110, directamente en tres brazos paralelos 610, 620, 630, divididos por tres paredes divisoras delgadas. Mediante el uso de las técnicas descritas a continuación es posible disponer estas paredes delgadas con un espesor de hasta 1 \mum e incluso menor. Las paredes delgadas proporcionarán mejor prestación, debido a una mejor preservación del perfil del flujo laminar a través de todo lo ancho del canal.

La figura 14 ilustra una realización con un ángulo de bifurcación izquierdo \alpha1 entre un brazo izquierdo 143 y un brazo central 144 y un ángulo de bifurcación derecho \alpha2 entre dicho brazo central 144 y un brazo derecho 145. Variando los ángulos \alpha1 y \alpha2 es posible optimizar algunos factores tales como, por ejemplo, el grado de concentración de partículas. Sin embargo, algunos ángulos pueden ser difíciles de fabricar con determinados procesos de fabricación. Los ángulos comprendidos entre 0 y 90 grados muestran una buena capacidad para separar el flujo.

En la figura 3, que ilustra el dispositivo desde debajo, se ilustran las conexiones 31 a 34 a la entrada 160 y a las salidas 170, 180, 190 desde la figura 1. El elemento piezoeléctrico no se ilustra en aras de la claridad.

En la figura 4, el dispositivo se ilustra desde la parte lateral. El dispositivo comprende preferentemente dos capas, una capa 51 que comprende el sistema de canales, fabricado, por ejemplo, con silicio y una capa sellante 52, fabricada, por ejemplo, con vidrio, lo que hace posible inspeccionar visualmente el proceso. La capa de vidrio sellante podría ser, preferentemente, fijada con técnicas conocidas a la capa base 51. El elemento piezoeléctrico 53 está dispuesto en contacto acústico con la capa base 51.

En las figuras 5, 11, 12 y 13 se ilustran disposiciones en las que algunos efectos pueden alcanzarse mediante un uso consecutivo, o en serie, de estructuras repetidas. Por ejemplo, las partículas de alta y baja densidad se pueden separar utilizando la disposición de la figura 5 (los términos de alta y baja densidad indican solamente la densidad en relación con el fluido circundante). Aquí, el fluido se introduce por una entrada principal 60. Si está presente una condición de resonancia de un solo nodo, el fluido con alta concentración de partículas de alta densidad se acumulará en la salida 61. El fluido con baja concentración de partículas de alta densidad, junto con una alta concentración de partículas de baja densidad, se acumulará en la salida 62 y el fluido con concentración intermedia de partículas de alta densidad se acumulará en la salida 63. Un elemento piezoeléctrico 65 está dispuesto en contacto acústico con la estructura de soporte común, dando lugar a campos de ondas estacionarias en canales con dimensiones apropiadas, esto es, las partes de canales 66 y 68. Para compensar la pérdida de fluido, se proporcionan entradas 69 para añadir fluido puro sin partículas. Las entradas se podrían utilizar también para la limpieza del sistema.

Se pueden conseguir, con facilidad, disposiciones paralelas de estructuras únicas o en serie, según las figuras 5, 11, 12 y 13. Según las realizaciones de la invención los sistemas de canales podrían, por ejemplo, disponerse de forma repetida e interconectable, llenando el área de la placa, lo que puede comprender, por ejemplo, una plaqueta de silicio u otras láminas o discos de otros materiales, tales como, por ejemplo, plásticos. Las disposiciones paralelas añadirán capacidad, es decir, más volumen de fluido se puede procesar por intervalo de tiempo.

La figura 11 ilustra, de forma esquemática, un dispositivo de lavado en serie de un solo nodo y tres etapas. El fluido contaminado con partículas que interesa salvar (por ejemplo, glóbulos rojos de la sangre) entra por la admisión 111. El fluido contaminado con baja, o ninguna, concentración de partículas se dirige a las salidas 112. Las partículas siguen fluyendo, más allá de la entrada 113, lo que añade fluido limpio a las partículas y si todavía quedan contaminantes, estos se harán más diluidos. La separación se repetirá en una segunda etapa donde el fluido contaminado con baja, o ninguna, concentración de partículas se dirige a las salidas 114. Las partículas siguen fluyendo, más allá de la entrada 115, lo que añade fluido limpio a las partículas y si todavía quedan contaminantes, estos se harán más diluidos. La separación se repetirá a continuación en una tercera etapa y las partículas suspendidas en un fluido ahora muy limpio saldrán por la salida 117.

La figura 12 ilustra, de forma esquemática, un concentrador en serie de un solo nodo y tres etapas. El fluido contaminado con partículas que interesa salvar (por ejemplo, glóbulos rojos de la sangre) entra por la admisión 121. Las partículas se concentran en las salidas 122, 124 y 128. El fluido contaminado se elimina por las salidas 126.

La figura 13 ilustra, de forma esquemática, un dispositivo de lavado integrado de un solo nodo con cuatro etapas y un concentrador. El fluido contaminado con partículas que interesa salvar (por ejemplo, glóbulos rojos de la sangre) entra por la admisión 131. El fluido contaminado con concentración baja, o ninguna, de dichas partículas sale por las salidas 132. Se añade fluido limpio en la entrada 134. En una segunda etapa, fluido (menos) contaminado con concentración baja, o nula, de partículas sale por las salidas 133. Se añade fluido limpio en la entrada 136. En las etapas 3 y 4, las partículas se concentran y se eliminan a través de las salidas 137 y 138. El sobrante de fluido se elimina a través de las salidas 139.

Volviendo ahora a la figura 1, el sistema de canales, comprendiendo el canal troncal de base 110 y el punto de bifurcación, está preferentemente integrado en una sola pieza de material homogéneo 51 en la figura 4. Esto trae consigo la ventaja de facilitar la repetición de varios sistemas de canales, con lo que aumenta fácilmente la capacidad de un aparato separador haciendo uso de la invención.

Realizaciones preferidas comprenden realizaciones con sistemas de canales integrados con un sustrato único o depositados sobre un sustrato por una serie continua de procesos compatibles.

El dispositivo, según la presente invención, se puede fabricar, por ejemplo, de silicio. El requisito para hacer las paredes troncales de base (810, 820) prácticamente perpendiculares a la placa y paralelas, o casi paralelas, entre sí, se satisface usando silicio de estructura cristalina <110> y técnicas de ataque químico bien conocidas. La estructura deseada de paredes de canales antes descrita también se puede realizar mediante ataque profundo con iones reactivos, DRIE.

También es posible formar las capas en materiales plásticos, por ejemplo, utilizando una matriz de silicio. Muchos plásticos presentan excelentes propiedades químicas. La estructura de la capa de silicio se puede obtener por medio de tecnologías bien conocidas. Los canales y las cavidades se pueden obtener por medio de técnicas de ataque anisotrópico o con plasma. La capa de silicio puede protegerse contra el ataque químico con una capa de óxido que se realiza formando una capa de SiO_{2}. Las configuraciones pueden disponerse en la capa de SiO_{2} por medio de tecnologías litográficas. Además, el ataque químico se puede detener, de forma selectiva, dopando el silicio y utilizando técnicas de detención p.n. u otras técnicas de detención del ataque químico. Habida cuenta que todas las etapas del proceso son muy conocidas en la técnica, no se describen aquí con más detalle.

La tecnología descrita anteriormente es también adecuada para obtener una matriz o molde para moldear o fundir los dispositivos de la invención, por ejemplo, de plástico.

El elemento piezoeléctrico que proporciona las oscilaciones mecánicas es, preferentemente, del tipo denominado multicapa, pero también se puede ser utilizar un elemento piezocerámico bimorfo, así como cualquier otra clase de elemento generador de ultrasonidos con dimensiones adecuadas.

Una aplicación apreciada de una realización de la invención está en el campo de la depuración de la sangre de un paciente durante intervenciones quirúrgicas. El objetivo en este campo es separar los glóbulos rojos de la sangre respecto al plasma contaminado. La contaminación podría incluir burbujas de aire, partículas grasas, productos de coagulación y otro material biológico no deseable. Los glóbulos rojos se conducirán, a continuación, a la circulación del paciente. Un inconveniente con la técnica anterior, en la forma de centrífugas, es que los glóbulos rojos de la sangre pueden llegar a deformarse, una desventaja que no está presente con un dispositivo según la presente invención.

Dependiendo de la aplicación, la forma y las dimensiones del canal, pueden variar la longitud del canal troncal 110 y los brazos 120, 130, 140 y la frecuencia del ultrasonido. En una aplicación para separar los glóbulos rojos de la sangre diluida recuperada de un paciente, durante una intervención quirúrgica, el canal es preferentemente rectangular en su sección transversal y la parte troncal del canal presenta una anchura de 700 \mum para un campo de ultrasonidos de ondas estacionarias de un solo nodo. Anchos más grandes serán apropiados para campos ultrasónicos de ondas estacionarias con más nodos.

La tolerancia mecánica del ancho del canal es importante. La diferencia debe ser preferentemente menor a un pequeño porcentaje de la mitad de longitud de onda de la frecuencia usada en el material/fluido interesado.

La figura 15 ilustra una unidad de separación que comprende ocho unidades de canales 1501 a 1508, a las cuales se les suministra fluido desde una cavidad de distribución 1510 que presenta una sola entrada 1512 y ocho salidas 1521 a 1528. Cada unidad de canal 1501 a 1508 está provista de tres salidas, una salida central 1541 y dos salidas laterales. Dichas salidas laterales están conectadas en pares, excepto las dos salidas más laterales de la unidad de separación 1500, formando nueve salidas intermedias 1531 a 1539. Dichas salidas intermedias están conectadas a una cavidad de recogida rápida (no ilustrada) alternativamente a un primer múltiple colector de recogida (no ilustrado). Las salidas centrales 1541 a 1548 están conectadas a una segunda cavidad colectora, alternativamente a un segundo múltiple colector (no ilustrado).

La figura 16 ilustra la unidad de separación 1500 de la figura 15 en una vista en perspectiva. La placa 1602, en la que está formada la unidad de separación 1500, está dispuesta en la parte superior de una fuente de ultrasonidos 1620, preferentemente un elemento piezoeléctrico 1620 y una estructura de soporte 1612. Un tubo de entrada 1610 está conectado a la entrada de la cavidad de distribución 1542 para proporcionar una entrada para el fluido conectable a la tubería exterior.

Un primer tubo de salida 1631 está proporcionando una conexión desde las nueve salidas intermedias 1531 a 1539 a través de un primer múltiple colector a un extremo libre 1641 de dicho primer tubo de salida 1631. Un segundo tubo de salida 1632 proporciona una conexión desde las ocho salidas centrales 1541 a 1548 a través de un segundo colector de recogida a un extremo libre 1642 de dicho segundo tubo de salida 1632.

La figura 17 ilustra una disposición en serie, en una placa 1701 de dos unidades de canal, diseñada para aumentar la separación de partículas desde un fluido. Una primera unidad de canal 1710 está formada en la placa 1702 que tiene una bifurcación central 1712, la cual está conectada a un canal base 1721 de una segunda unidad de canal 1720. A cada unidad de canal se le suministra energía ultrasónica desde elementos piezoeléctricos dispuestos bajo la placa 1701 en posiciones aproximadamente bajo una parte del canal base de cada unidad de canal, según se indica por los rectángulos 1716, 1726.

La figura 18 ilustra una unidad de canal 1800 utilizada para separar un fluido que contiene dos clases de partículas, indicadas como blancas y negras, respectivamente.

Cuando el fluido circula en la dirección de la flecha 1804, las ondas estacionarias ultrasónicas separan las partículas en la unidad de canal en tres capas de fluido 1801 a 1803. La posición de la fuente de ultrasonidos está indicada por el rectángulo 1810.

El proceso descrito de separación de dos tipos de partículas ilustra una solución a la necesidad, dentro del campo de la tecnología médica, de separar componentes sanguíneos de otros, por ejemplo, glóbulos rojos y blancos y plaquetas (eritrocitos, leucocitos y trombocitos), también llamados, en la jerga médica, elementos formes de la sangre.

La técnica conocida en este campo comprende, principal o exclusivamente, soluciones basadas en la centrifugación. Un inconveniente es que es muy difícil obtener una separación completa de los elementos formes, y en su lugar se obtiene la llamada "capa leucocitaria". Esta capa comprende una alta concentración de trombocitos, leucocitos, y una baja concentración de eritrocitos. Dentro de este contexto, debe tenerse en cuenta que los trombocitos sensibles se han centrifugado y sometido a elevadas fuerzas g, que probablemente hayan inducido una función degradada dentro de dichos eritrocitos.

Una realización de la presente invención se puede utilizar para separar los trombocitos y leucocitos de los eritrocitos, puesto que poseen densidades diferentes, según puede verse en la Tabla 1. La sangre consta de plasma y elementos formes.

TABLA 1

Partículas	Densidad relativa	Desviación estándar
Eritrocitos	1,09645	0,0018
Leucocitos	1,07 – 1,08	No Disponible
Trombocitos	1,0645	0,0015
Fluidos
Plasma	1,0269	0,0009
Glucosa 30%	1,10	0
Glucosa 50%	1,17	0
Electrolito Addex	1,18	0
Densidad Relativa. Fuente: Tablas Científicas de Geigy.

Otras soluciones posibles son los agentes de control del yodo.

Como puede apreciarse en la Tabla 1, diferentes componentes tienen densidades distintas. La variación en densidad es muy pequeña para las entradas de la tabla. Cuando se separa la sangre ordinaria, una unidad de canal separará todos los elementos formes de la misma manera, porque su densidad es mayor que la del medio en que están en suspensión, es decir, el plasma.

En una realización alternativa, el medio se modifica, es decir, el plasma se modifica de modo que se altere su densidad, dando la posibilidad de separar las diferentes células sanguíneas. Esto se consigue añadiendo una cantidad de líquido más denso al plasma y de esta forma, diluir el plasma a una más baja concentración, pero con una mayor densidad.

Ejemplos

Se toman 100 ml de sangre con un valor hematócrito del 40%. Esto significa que el 60% (=60 ml) de la sangre es plasma. El plasma presenta una densidad de 1,0269. Añadiendo 30 ml de una solución de glucosa al 50%, obtendremos, según la fórmula:

d_{tot} \ = \ \frac{v_{1}*d_{1} \ + \ v_{2}*d_{2}}{v_{1} \ + \ v_{2}}

en la que:

v_{1} es el volumen del primer fluido

d_{1}es la densidad del primer fluido

v_{2} es el volumen del segundo fluido

d_{2} es la densidad del segundo fluido

d_{tot} es la densidad de la mezcla,

la densidad del medio de mezcla alcanza 1,0746.

Cuando esta mezcla se introduce en una realización de la invención, se logra una separación donde los trombocitos y los eritrocitos se dirigen en ramas separadas, porque ahora los trombocitos son más ligeros que el medio.

Por supuesto, se trata únicamente de un ejemplo. Es posible asimismo separar leucocitos porque presentan un peso específico diferente del de los trombocitos y de los eritrocitos. También sería posible separar bacterias y virus con este procedimiento. El procedimiento se puede utilizar en todas las soluciones excepto las soluciones en donde sea imposible, o de otro modo inapropiado, manipular la densidad de la solución. También es posible separar bacterias y células troncales desde sus cultivos, teniéndolas en suspensión en una solución adecuada.

La figura 19 y la figura 20 ilustran una unidad de canal con tres entradas A,B,A, y tres salidas, C,D,C. Un primer fluido se alimenta a la unidad de canal en ambas entradas A y un segundo fluido se alimenta a la entrada B. A esta microescala, no se mezclarán los fluidos.

La figura 20 ilustra cómo las partículas procedentes del fluido, introducido en las entradas A, son forzadas por el campo de onda estacionarias ultrasónicas a migrar a través del fluido introducido en la entrada B. Este tipo de "separación" es especialmente útil cuando el objetivo es conservar elementos formados de la sangre y desechar el plasma, como en, por ejemplo, la plasmaféresis y en aplicaciones de lavado sanguíneo, donde las células sanguíneas en plasma contaminado (A) se desplazan a una solución limpia (B) y por último, se producen células sanguíneas en un medio limpio (D). El plasma sobrante (C) se desecha. Este procedimiento permitirá un lavado de sangre muy eficiente que necesita muy pocas cantidades de sustancia de lavado.

Las figuras 21 y 22 ilustran una disposición radial de las unidades de canal, siendo dicha disposición particularmente ventajosa cuando el material base de la placa son discos circulares o elementos similares.

Los expertos en la materia apreciarán que la estructura del dispositivo según la presente invención presenta varias ventajas, tales como la facilidad de fabricación y la resolución del problema de separar partículas, susceptibles de desintegración, en los procesos de filtrado y centrifugación.

Claims

1. Dispositivo para separar partículas suspendidas de un fluido, que comprende una unidad de canal dispuesta en una placa (51) que presenta unas primera y segunda grandes superficies opuestas, comprendiendo dicha unidad de canal troncal de base (110) que presenta unas paredes sustancialmente paralelas, o casi paralelas, (810, 820) perpendiculares a dichas superficies, presentando dicho canal troncal de base una entrada (160) y, opuesto a dicha entrada, un punto de bifurcación (175) conectado a dos o más salidas diferentes (170, 180, 190) y unos medios de oscilación ultrasónica (53, 150) para proporcionar energía mecánica a un fluido en dicha unidad de canal, de tal modo que dichas partículas estén concentradas en unas capas laminares en el canal troncal de base, sustancialmente paralelas a dichas paredes troncales de base, en el que dicho punto de bifurcación está diseñado para separar partículas, dispuestas en dichas capas laminares en un fluido que circula por dicho canal troncal de base, hacia dichas diferentes salidas, caracterizado porque dicha unidad de canal está formada como parte de una capa de material próxima a dicha primera gran superficie y estando dichos medios de oscilación ultrasónica dispuestos en contacto con dicha segunda gran superficie para proporcionar energía mecánica a dicha placa, de tal modo que se origine un campo de ondas estacionarias entre las paredes troncales de base.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque dichos medios de oscilación ultrasónica están dispuestos para proporcionar energía mecánica en una dirección perpendicular a la primera y segunda superficies de dicha placa.

3. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque comprende una unidad de control (863) capaz de controlar dichos medios de oscilación ultrasónica para proporcionar energía mecánica, de frecuencia y potencia controladas, dentro de la banda de frecuencia ultrasónica y estando la frecuencia adaptada de tal manera a las dimensiones de la unidad de canal que, en una anchura (185) del canal entre las paredes troncales de base (810, 820), se origina una onda estacionaria acústica.

4. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque varias unidades de canal están dispuestas en la misma placa (51) recibiendo energía mecánica desde unos medios de oscilación ultrasónica (53, 150) único, permitiendo la integración de un gran número de unidades de canal, con fines de separación, en una sola placa.

5. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque la unidad de canal está provista de una entrada (160) y de tres salidas (170, 180, 190).

6. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque la placa comprende una porción de material homogéneo en la que se define dicha unidad de canal.

7. Dispositivo según la reivindicación 6, caracterizado porque la primera superficie de dicha placa (51) está cubierta por una capa de vidrio (52).

8. Dispositivo según la reivindicación 7, caracterizado porque la placa y dicha capa de vidrio (52) están unidas entre sí.

9. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha placa (51) está fabricada con silicio.

10. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha placa (51) está fabricada con material plástico.

11. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el punto de bifurcación (175) presenta una forma de cruz y la entrada (160) está dispuesta en el extremo inferior del canal troncal de base en cruz (110) y las tres salidas (170, 180, 190) están dispuestas en la parte superior de la cruz.

12. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el punto de bifurcación (149) divide el canal troncal de base (142) en tres brazos (143, 144, 145) con unos ángulos \alpha1 y \alpha2 entre sí y porque el valor de \alpha1 y \alpha2 está comprendido entre 0 y 90 grados.

13. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el punto de bifurcación comprende la división del canal troncal de base (110) directamente en tres canales paralelos (610, 620, 630) divididos por unas paredes de separación delgadas (615, 625).

14. Dispositivo según la reivindicación 13, caracterizado porque las paredes delgadas (615, 625) presentan un espesor comprendido entre 1 y 40 micrómetros, preferentemente 20 micrómetros.

15. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque la anchura (185) del canal está comprendida entre 60 y 1400 micrómetros.

16. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque la anchura (185) del canal es de 700 micrómetros.

17. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque dichos medios de oscilación ultrasónica comprenden un elemento piezoeléctrico (853).

18. Dispositivo según la reivindicación 17, caracterizado porque dicha energía mecánica es de frecuencia y potencia controladas dentro de la banda de frecuencias ultrasónicas.

19. Dispositivo según la reivindicación 18, caracterizado porque la energía eléctrica es controlable con respecto a la forma de onda, la frecuencia y la potencia.

20. Dispositivo según la reivindicación 19, caracterizado porque la forma de onda se puede controlar para presentar una forma sinusoidal, triangular o cuadrada, sin estar limitada a las mismas.

21. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque las dimensiones de la unidad de canal, es decir, la anchura (185) y la altura del canal, la frecuencia de los medios de oscilación y el caudal son apropiados para recibir sangre como dicho fluido, siendo los glóbulos rojos las partículas que se deben separar del fluido.

22. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque las dimensiones de la unidad de canal, es decir, la anchura (185) y la altura del canal, la frecuencia de los medios de oscilación y el caudal son apropiados para manipular un fluido que contiene partículas de material biológico que contenga grasa.

23. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque la unidad de canal está provista de tres entradas (A,B,A) y de tres salidas (C,D,C,).

24. Dispositivo según la reivindicación 22, caracterizado porque las dimensiones de la unidad de canal, es decir, la anchura (185) y la altura del canal, y la frecuencia de los medios de oscilación se adaptan para manipular un fluido que contiene plaquetas.

25. Procedimiento para separar partículas de fluidos, que utiliza los efectos de ultrasonidos, flujo laminar y ondas estacionarias, que comprende las etapas siguientes:

-: alimentar un fluido a un dispositivo según la reivindicación 1;

-: aplicar un campo de ondas oscilantes ultrasónicas a dicha segunda superficie, sometiendo así dicho flujo a un campo de ondas estacionarias ultrasónicas durante su circulación más allá de una distancia en dicha unidad de canal, forzando a dichas partículas a una distribución no uniforme en una dirección de separación paralela a dichas superficies y perpendicular a la dirección de flujo, y

-: separar dicho segundo flujo laminar en un primero y segundo flujos separados, de tal modo que la concentración de partículas sea mayor en el primer flujo separado que en el segundo flujo separado.

26. Procedimiento según la reivindicación 25, caracterizado porque dicho campo de ondas oscilantes ultrasónicas recibe una frecuencia adaptada a una anchura (185) de la unidad de canal, de tal modo que las vibraciones en la placa den lugar a dicho campo de ondas paralelo a la placa.

27. Procedimiento según la reivindicación 25 ó 26, caracterizado porque dicho campo de ondas oscilantes ultrasónicas se aplica de forma perpendicular a dichas superficies de la placa.

28. Procedimiento según la reivindicación 25, caracterizado porque se separan partículas de material biológico, que contienen grasa, del fluido.

29. Procedimiento según la reivindicación 25, caracterizado porque se separan partículas de la sangre.

30. Procedimiento según la reivindicación 25, caracterizado porque se separan bacterias de un fluido.

31. Procedimiento según la reivindicación 25, caracterizado porque se separan células troncales de un fluido.

32. Procedimiento según la reivindicación 25, caracterizado porque se separan plaquetas de un fluido.

33. Procedimiento según la reivindicación 25, caracterizado porque se añade solución al fluido original, presentando dicha solución una densidad diferente a la del fluido original, con el fin de alterar la densidad del fluido del que se han de separar las partículas.

34. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 25 a 33, caracterizado porque el procedimiento se repite en varias etapas.

35. Procedimiento según la reivindicación 34, caracterizado porque el nuevo fluido se introduce antes de que se repitan las etapas.

36. Procedimiento según la reivindicación 25, caracterizado porque se controla la potencia aplicada al campo de ondas estacionarias ultrasónicas gracias al control de la energía eléctrica con respecto a la forma de onda, la frecuencia y la potencia a un elemento piezoeléctrico que transmite su energía mecánica al fluido y su medio circundante.