JP2016511647A - 剪断感受性流体のための小型のハイドロリックマニホールド構造 - Google Patents

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Abstract

剪断感受性流体を輸送するための小型のハイドロリックマニホールドを提供する。チャネルネットワークは、二叉分岐構造に連結された、幹および分枝構造を含み得る。壁剪断速度を狭い範囲内に維持しながらサイズを小さくするため、先細のチャネル壁、チャネルの湾曲および角度、ならびに低流体圧ゾーンなどの特徴が用いられ得る。ハイドロリックマニホールドが一連のマイクロ流体層に連結されて、小型のマイクロ流体デバイスを構築し得る。

Description

関連出願
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる、2013年1月8日に提出された米国特許出願第13/736,685号に対する優先権を主張する。
背景
チャネルネットワークを通過する血液については、血液の健康度を保持するため、壁剪断速度が限定された範囲内に維持されなくてはならない。許容範囲外の剪断速度は凝血または溶血につながる可能性がある。血液を運ぶためのチャネルを含有していることが多い臓器補助デバイスにおいて、血液の健康は重要である。患者の移動性もまた、臓器補助デバイスの成功において重要な要素となり得る。したがって、血液および他の剪断感受性流体を安全に輸送できる、小型のチャネルネットワーク構造があることが望ましい。
本開示の局面および実施形態は、剪断感受性流体のための小型のハイブリッドなハイドロリックマニホールド構造に関する。
少なくとも1つの局面はマイクロ流体デバイスに関する。マイクロ流体デバイスは、複数の第一チャネルを有する第一のチャネルネットワークを含む。各第一チャネルは、高さが約50ミクロン〜約500ミクロンの範囲内であり、幅が約50ミクロン〜約1.5ミリメートルの範囲内であり、かつ長さが約3センチメートル〜約20センチメートルの範囲内である。マイクロ流体デバイスは、第一チャネルのうちの1つまたは複数に対して相補的である少なくとも1つの第二チャネルを有する、第二のチャネルネットワークを含む。マイクロ流体デバイスは、1つまたは複数の第一チャネルを少なくとも1つの第二チャネルから隔てる濾過膜を含む。複数の第一チャネルは、一次チャネルを形成する入力チャネルと、複数の二次チャネルと、アウトレットチャネルとを含む。第一の二次チャネルは、一次チャネルに沿った第一距離に位置する第一接合部において一次チャネルに接続する。第二の二次チャネルは、一次チャネルに沿った、第一距離より大きい第二距離に位置する第二接合部において、一次チャネルに接続する。一次チャネルならびに第一および第二の二次チャネルは、第一接合部を越えて一次チャネルを通る流体のフローが、第一の二次チャネルに入る流体のフローより実質的に大きくなるように構成される。
いくつかの実施形態において、複数の第一チャネルは第一基板内に位置する。第一基板は厚さが約10ミクロン〜約10ミリメートルの範囲内であってもよい。
いくつかの実施形態において、マイクロ流体デバイスの第一および第二の二次チャネルのうちの少なくとも1つは、第一の三次チャネルを通る流体流量が第二の三次チャネルを通る流体流量と実質的に同じになり、かつ、第一の三次チャネルと第二の三次チャネルとの間の総流体流量が、一次チャネルと第三接合部との間の該少なくとも1つの二次チャネルの部分を通る流体流量と実質的に同じになるように、第三接合部において二叉に分岐して第一および第二の三次チャネルとなる。
いくつかの実施形態において、マイクロ流体デバイスは、第一の三次チャネルと第二の三次チャネルとの間で流体フローを分けるための分流部を含む。分流部は、第一および第二の三次チャネルの壁に接続している曲面を有し、かつ分流部の曲率半径は、前記少なくとも1つの二次チャネルの水力直径以下である。いくつかの実施形態において、マイクロ流体デバイスは、第三および第四の三次チャネルを通って流れる流体の全部が次いで第三の二次チャネル内に輸送されるように、第三および第四の三次チャネルが反対の湾曲を有する地点で収束して第三の二次チャネルを形成する第三および第四の三次チャネルを含む。
いくつかの実施形態において、少なくとも1つの二次チャネルと一次チャネルとの接合部の近傍部分における該少なくとも1つの二次チャネルの直径は、該接合部に低流体圧ゾーンが作り出されるように、該少なくとも1つの二次チャネルの下流部分の直径より顕著に大きい。いくつかの実施形態において、二次チャネルの中心線と一次チャネルの中心線の下流部分とによって形成される角度は、約1度〜約60度の範囲内である。いくつかの実施形態において、チャネルは、血液がチャネルを通って輸送されているときに剪断速度を約200s-1〜約2000s-1の範囲内に維持するようにさらに構成される。いくつかの実施形態において、一次チャネルの壁は、一次チャネルを通る流体フローの方向に対して30度以下の角度で配置される。
いくつかの実施形態において、少なくとも1つの二次チャネルは、フローを一次チャネルから離れるように向ける湾曲部分を含む。いくつかの実施形態において、少なくとも1つの二次チャネルの湾曲部分は、その水力直径以上である曲率半径を有する。
少なくとも1つの局面はマイクロ流体デバイスに関する。マイクロ流体デバイスは、一次インレットチャネルと、第一基板チャネルのネットワークを各々が有する第一複数基板に連結された複数の二次インレットチャネルとを有する、第一マニホールドを含む。マイクロ流体デバイスは複数の第二基板を含む。各第二基板は第一基板のうちの1つと対応し、かつ、第一基板チャネルのうちの1つまたは複数に対して相補的である少なくとも1つの第二チャネルを含む。マイクロ流体デバイスは複数の濾過膜を含む。各濾過膜は、複数の第一基板のうちの1つの第一チャネルを、対応する第二基板に含まれる少なくとも1つの第二チャネルから隔てる。第一基板チャネルの各々は、高さが約50ミクロン〜約500ミクロンの範囲内であり、幅が約50ミクロン〜約1.5ミリメートルの範囲内であり、かつ長さが約3センチメートル〜約20センチメートルの範囲内である。第一の二次インレットチャネルは、一次インレットチャネルに沿った第一距離に位置する第一接合部において一次インレットチャネルに接続する。第二の二次インレットチャネルは、一次インレットチャネルに沿った、第一距離より大きい第二距離に位置する第二接合部において、一次インレットチャネルに接続する。インレットチャネルは、第一接合部を越えて一次インレットチャネルを通る流体のフローが、第一の二次インレットチャネルに入る流体のフローより実質的に大きくなるように構成される。
いくつかの実施形態において、第一複数基板のうちの少なくとも1つにおける第一基板チャネルのネットワークは、一次基板チャネルと複数の二次基板チャネルとを含む。マイクロ流体デバイスは、一次基板チャネルに沿った第一距離に位置する第一接合部において一次基板チャネルに接続する第一の二次基板チャネルを含む。マイクロ流体デバイスは、一次基板チャネルに沿った、第一距離より大きい第二距離に位置する第二接合部において一次基板チャネルに接続する、第二の二次基板チャネルを含む。マイクロ流体デバイスの基板チャネルは、第一接合部を越えて一次基板チャネルを通る流体のフローが、第一の二次基板チャネルに入る流体のフローより実質的に大きくなるように構成される。
いくつかの実施形態において、マイクロ流体デバイスは、一次インレットチャネルと、第二基板チャネルのネットワークを各々が有する第二複数基板に連結された複数の二次インレットチャネルとを有する、第二マニホールドを含む。マイクロ流体デバイスは、一次インレットチャネルに沿った第一距離に位置する第一接合部において一次インレットチャネルに接続する第一の二次インレットチャネルを含む。マイクロ流体デバイスは、一次インレットチャネルに沿った、第一距離より大きい第二距離に位置する第二接合部において一次インレットチャネルに接続する、第二の二次インレットチャネルを含む。第二複数基板の各々の二次チャネルのネットワークは、流体が第二マニホールドから第二複数基板の各々の第二基板チャネルのネットワークに輸送されうるように、接合部において二次インレットチャネルに接続する。
いくつかの実施形態において、第二複数基板の各々は、第一複数基板のそれぞれ1つに連結されて、二重層を形成する。いくつかの実施形態において、第一複数基板のうちの少なくとも1つの表面と、第一マニホールドの一次インレットの下流部分とによって形成される角度は、約1度〜約60度の範囲内である。
これらのおよび他の局面および実施形態を以下に詳述する。前述の情報および以下の詳細な説明は、種々の局面および実施形態の説明のための例を含んでおり、特許請求される局面および実施形態の性質および特性を理解するための概要または枠組みを提供する。図面は、種々の局面および実施形態の図示およびさらなる理解を提供するものであり、本明細書に組み込まれるとともにその一部を構成する。
添付の図面は、縮尺が一律となるように意図されてはいない。種々の図面における類似の参照番号は、類似する要素を示す。明瞭さのため、必ずしもすべての図面におけるすべての構成要素がラベル付けされてはいない。
例示的な実施形態に従う第一のマイクロ流体デバイスを示した図である。 例示的な実施形態に従う第二のマイクロ流体デバイスを示した図である。 例示的な実施形態に従う、図1Aまたは図1Bのマイクロ流体デバイスに用いられ得る、単一の基板層を示した図である。 チャネルネットワークの略図である。 図3に示したチャネルネットワークの一部の拡大図である。 チャネルネットワークの略図である。 チャネルネットワークの略図である。
特定の例示的な実施形態の説明
以下に、剪断感受性流体のための小型のハイドロリックマニホールド構造について、関連する種々の概念および実施形態をより詳しく説明する。説明される概念は、いかなる特定の様式の実施形態にも限定されることはないため、上述され以下により詳しく述べられる種々の概念は、多数の方法で実施されうる。特定の実施形態および応用の例は、主として説明のために提供される。
図1Aに、二重層102によって例示される8つの二重層から構成されるマイクロ流体デバイス100を示す。各二重層102は、透過膜108などの透過膜によって隔てられた、血液基板層104などの血液基板層および濾液基板層106などの濾液基板層からなる。血液基板104および濾液基板106内のチャネルネットワークは、流体（すなわち血液または濾液）が輸送されることを可能にする。マイクロ流体デバイス100は血液インレットマニホールド110および血液アウトレットマニホールド112も含み、これらは両方とも血液基板層104に連結される。同様に、濾液インレットマニホールド114および濾液アウトレットマニホールド116が濾液基板層106に連結される。血液は、血液インレットマニホールド110を通って血液基板層104に入り、血液アウトレットマニホールド112を通って出る。濾液は、濾液インレットマニホールド114を通って濾液基板層106に入り、濾液アウトレットマニホールド116を通って出る。
1つの実施形態において、図1Aに示すように、各二重層102は他の各二重層102に対して平行である。図1Aは、二重層102をマニホールド110、112、114、および116に対して垂直であるように示しているが、この配向は必須ではない。例えば図1Bは、血液インレットマニホールド110および血液アウトレットマニホールド112が二重層102に対して垂直でない、代替の配置を示している。この構成は、血液が血液インレットマニホールド110に入り、二重層102を通って流れ、そして血液アウトレットマニホールド112を通って出る際に通る角度を小さくする。血液基板層104および濾液基板層106はそれぞれ厚さが約10ミクロン〜約10ミリメートルの範囲内であり、膜108は厚さが約500ナノメートル〜約1ミリメートルの範囲内である。いくつかの実施形態において、隣接する二重層102は互いに接触していてもよい。他の実施形態において、図1に示すように、二重層102は約500ミクロンまたはそれ以上の距離によって離されていてもよい。
デバイス100は血液濾過に用いるために設計されている。血液基板層104および濾液基板層106内のチャネルネットワークは、各流体（すなわち血液および濾液）の比較的大きな表面積が透過膜108にさらされるように、流体を分ける。対応するチャネル同士が透過膜108によって隔てられるように、血液基板層104の各チャネルは濾液基板層106の対応するチャネルとアライメントされる。血液が血液基板層104のチャネルを通って移動する際に、濾液は濾液基板層106を通って逆方向に移動し、老廃物および水が拡散によって血液から除去され、透過膜108を通って濾液基板層106に入る。健康な血液は血液基板層104内に残り、これは次に患者の体内に再循環されてもよい。
血液インレットマニホールド110は、二次チャネル120により例示されるようないくつかの二次チャネルに連結された一次チャネル118を有する。他のマニホールド112、114、および116も、一次チャネル118および二次チャネル120と同様の一次チャネルおよび二次チャネルを有する。チャネルの曲線形状などの、血液マニホールド110および112の特徴は、血液の健康を保持するのに役立つ。これらの特徴についてはさらに後述する。濾液は典型的に血液のような剪断感受性流体ではないため、濾液マニホールド114および116の形状はそれほど重要でない。
血液基板層104および濾液基板層106は、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリイミド、もしくは環状オレフィンコポリマー（COC）などの熱可塑性物質か、ポリカプロラクトン（PCL）などの生分解性ポリエステルか、またはセバシン酸ポリグリセロール（PGS）などの軟質エラストマーで作られていてもよい。あるいは、基板層104および106は、ポリジメチルシロキサン（PDMS）、ポリ（N-イソプロピルアクリルアミド）、または、例えば炭素もしくは酸化亜鉛から形成されたナノチューブもしくはナノワイヤで作られていてもよい。基板104および106は、温度安定性を維持するため、断熱性材料で作られる。いくつかの実施形態において、チャネル内で血管内皮細胞などの細胞が増殖することを促進または防止するため、細胞親和性であるまたは細胞親和性でない材料でチャネルがコーティングされていてもよい。チャネルはまた、血液基板層104内での血液凝固防止を助けるため、抗凝血薬でコーティングされていてもよい。
図2に、図1Aの血液基板層104として用いるのに好適な血液基板層200を示す。血液基板層200は、一次チャネル202と、チャネル204などの二次チャネルと、チャネル206などの三次チャネルと、チャネル208などの四次チャネルと、アウトレットチャネル210とを含む、チャネルネットワークを有する。血液基板層200は厚さが約10ミクロン〜10ミリメートルの範囲内である。いくつかの実施形態において、各チャネルは高さが約10ミクロン〜約1ミリメートルの範囲内であり、幅が約50ミクロン〜約1.5ミリメートルの範囲内である。いくつかの実施形態において、各チャネルの幅は約900ミクロン未満である。
本明細書において、「高さ」という用語は、各チャネルの最大の深さを指す。「幅」という用語は、流体のフローに対して直角方向に、かつ、そのチャネルを含有する基板層によって占められた平面内において測定された、チャネルの内縁間の最大の距離を指す。いくつかの実施形態において、各チャネルは実質的に半円形の断面を有していてもよい。他の実施形態において、チャネルは長方形または台形の断面を有していてもよい。また他の実施形態において、チャネルの断面は形状が不規則であってもよい。例えば、チャネルは、概ね長方形で、コーナー部に丸みまたはファセットがついていてもよい。あるいは、チャネルは、湾曲した側壁によって接合された平坦な上壁および底壁を有してもよい。各チャネルは、エッチング、ミリング、スタンピング、プレーティング、直接微細機械加工、または射出成形によって作り出される。血液基板層200のチャネルの最上部は開いており、上壁を含まない。図1Aに示すマイクロ流体デバイス100の最終構成において、透過膜108が血液基板層200と接触するように置かれて、密閉チャネルが形成される。
二重層102などの二重層を形成するための血液基板層200と図1Aの透過膜108および濾液基板層106とのアライメントを容易にするため、血液基板層200はアライメント用の特徴212も含む。これにより、血液基板層200を透過膜108および濾液基板層106に対して正しく配向することを確実にできる。血液基板層内のチャネルのネットワークの特性については詳しく後述する。
図3にチャネルネットワーク300を示す。チャネルネットワーク300は、幹チャネル302、分枝チャネル304A〜304C、および二叉分岐チャネル310A〜310Fを含む。1つの実施形態において、チャネルネットワーク300の一部は、図2に示す血液基板層200内のチャネルネットワークを表す。例えば、図3の幹302は図2の一次チャネル202に対応していてもよく、分枝チャネル304Aは二次チャネル204に対応していてもよく、二叉分岐チャネル310Aは三次チャネル206に対応していてもよく、および二叉分岐チャネル310Cは四次チャネル208に対応していてもよい。別の実施形態において、チャネルネットワーク300は、図1Aの血液インレットマニホールド110および血液アウトレットマニホールド112内のチャネルを表す。例えば、幹302が一次チャネル118を表してもよく、分枝304Cが二次チャネル120を表してもよい。この例において、各分枝304A〜304Cは、図1Aの単一の血液基板層104に連結する。概して、濾液は剪断感受性流体でないため、濾液インレットマニホールド114、濾液基板層106、または濾液アウトレットマニホールド116についてはチャネルネットワーク300が用いられる必要はないと考えられる。血液インレットマニホールド110が幹302および分枝チャネル304A〜304Cと同様の幹チャネルおよび分枝チャネルを含むいくつかの実施形態において、分枝チャネルは血液基板層の一次チャネルに連結する。血液基板層の一次チャネルは、次に二次チャネルおよび三次チャネルへと分枝する。
1つの実施形態において、ある体積の流体が幹302の最も幅広の地点に入る。流体が幹302に沿って移動する際に、流体の一部は分枝チャネル304A〜304Cを通るように向け直される。図3には3つのみの分枝チャネル304A〜304Cが示されているが、チャネルネットワーク300は例示的なものにすぎないこと、および、幹302は任意の数の分枝チャネル304に連結されていてよいことが理解されるべきである。いくつかの実施形態において、幹302は、幹302の他の側にある追加の分枝チャネル（図3には示していない）に連結する。そのような追加のチャネルは、幹302の分枝チャネル304A〜304Cと同じ側かまたは反対側で幹302から分枝していてもよい。
チャネルは、（最後の分枝チャネルすなわち分枝チャネル304C以外の）単一の分枝チャネル304に入るように向け直される流体の体積が、分枝304と幹302とが合流する地点において幹302を流れる流体の総体積より顕著に少なくなるように構成される。例えば、流体が幹302の最も幅広の部分に入り幹302に沿って移動する際に、比較的小さなパーセンテージの流体が、第一の分枝チャネル304Aに入るように向け直される。種々の実施形態において、分枝チャネル304Aに分流される流体のパーセンテージは、接合部における総流体の50％未満、40％未満、30％未満、20％未満、または10％未満である。より大きなパーセンテージの流体は幹302を通って流れつづけ、次いで分枝チャネル304B〜304Cに入るように向け直される。向け直されるパーセンテージは、分枝チャネルの個数の関数であり、各分枝チャネルの寸法を変えることによって制御される。
これらのフロー特性は、分枝チャネル304A〜304Cについて、幹302の水力直径より顕著に小さい水力直径を選択することによって実現される。分枝チャネル304A〜304Cの水力直径は必ずしも等しくなくてもよい。1つの例において、幹302および分枝チャネル304A〜304Cの水力直径はMurrayの法則に従って選択される。Murrayの法則は、流体（例えば血液）を循環させるのに必要なエネルギーと流体を代謝的にサポートするのに必要なエネルギーとのバランスを取るために、ネットワーク内のチャネルの半径を選択するための技法を提供する。一般に、Murrayの法則が示すところによれば、半径がrpである一次チャネルおよび半径がrb1、rb2などである分枝チャネルについて、すべてのチャネルの半径間の関係は
Figure 2016511647
となる。Murrayの法則はまた、非円形の断面を有するネットワークにおける一次チャネルおよび分枝チャネルの水力直径間の関係を選択するのにも用いることができる。例えば、水力直径がdpである一次チャネルおよび水力直径がdb1、db2などである分枝チャネルについて、Murrayの法則が示すところによれば、すべてのチャネルの水力直径間の関係は
Figure 2016511647
となる。
いくつかの実施形態において、および図3に示されているように、Murrayの法則に従うため、幹302の直径はその長さに沿って変化している。直径の変化はなめらかであり、このため幹302は流体フローの方向において先細の形状となっている。いくつかの実施形態において、幹304の中心線（すなわち幹304を通る流体フローの方向）と幹304の先細の壁とによって形成される角度306は、約45°未満である。いくつかの実施形態において、角度306は約30°未満である。いくつかの実施形態において、角度306は約20°未満である。幹の他の壁も先細であってもよい（例えば、幹は、先細の幅を有する代わりに、またはそれに加えて、先細の高さを有していてもよい）。
分枝チャネル304A〜304Cは幹302に連結されており、幹302から離れる方向に流体を運ぶのに用いられる。いくつかの実施形態において、分枝チャネル304A〜304Cはまっすぐなチャネルである。他の実施形態において、図3に示すように、分枝チャネル304A〜304Cは幹302から離れるように湾曲している。分枝チャネル304A〜304Cの湾曲は、よりなめらかな流体フローを可能にするとともに、壁剪断速度を許容範囲内に維持するのを助ける。分枝チャネル304A〜304Cの曲率半径308もまた、チャネルネットワーク300を通って流れる流体の剪断速度に影響を及ぼす。チャネルネットワーク300は、各分枝チャネル304A〜304Cの曲率半径308が、対応する分枝チャネル304A〜304Cの水力直径以上であるように構成される。
チャネルネットワーク300はまた、二叉分岐チャネル310A〜310Fによって図示されているような二叉分岐も含む。二叉分岐チャネルは、第一チャネル（例えば分枝チャネル304A）からの流体フローを、2つの追加のチャネル（例えば二叉分岐チャネル310Aおよび310B）のうちの1つに入るように向ける。二叉分岐チャネル310A〜310Fは、それらが連結されているチャネルからの流体フローを実質的に均等に分割するように構成される。例えば、分枝チャネル304Aならびに二叉分岐チャネル310Aおよび310Bは、二叉分岐チャネル310Aを通る流体流量が二叉分岐チャネル310Bを通る流体流量と実質的に同じであり、かつ、二叉分岐チャネル310Aおよび310Bを通る総流体流量が分枝チャネル304Aを通る流体流量と同じであるように構成される。いくつかの実施形態において、二叉分岐チャネルはMurrayの法則に従って設計される。例えば、分枝チャネル304Aの半径の3乗は、二叉分岐チャネル310Aおよび310Bの半径の3乗の和と等しくなるように選択されてもよい。
幹302と分枝304Aとの接合部によって形成される分流部314は、図3に示すように、丸みのついた表面を有する。分流部314の丸みのついた表面は、幹302および分枝チャネル304Aを通る流体フローをなめらかに維持するのを助ける。いくつかの実施形態において、分流部314の曲率半径は、幹302の分流部付近の部分の水力直径以下である。分流部の特徴は、図4との関連において詳しく後述する。
チャネルネットワーク300は任意の数の二叉分岐を含有していてもよい。いくつかの実施形態において、チャネルネットワーク300中の単一の経路に複数の二叉分岐が存在する。例えば、分枝チャネル304Aを通る流体フローは、二叉に分岐して二叉分岐チャネル310Aおよび310Bに入り、次いでさらに二叉に分岐して二叉分岐チャネル310C〜310Fに入る。図3の最上部に描かれた二叉分岐サブネットワーク312に示されているように、流体フローはまた、二叉分岐の後に再合流されてもよい。
幹302が先細であること、分枝304A〜304Cの湾曲、および二叉分岐チャネル310A〜310Fなどの、上述の特徴は、実質的にチャネルネットワーク300全体にわたって、壁剪断速度を指定の範囲内に維持するように選択される。図1Aのマイクロ流体デバイス100または図2の血液基板層200などの、血液の輸送に用いられるデバイスにおいて、チャネルネットワーク300の特徴は、壁剪断速度を約200s-1〜2000s-1の範囲内に維持するように選択されてもよい。他の実施形態において、チャネルネットワーク300は、この範囲外の剪断速度範囲を許容するように設計されていてもよい。血液の健康を維持するために用いられてもよい追加の特徴については、図4および図5との関連において詳しく後述する。
図3との関連において上述した、マイクロ流体デバイスに用いるための特徴の選択は、種々の用途に対して最適化されてもよい。例えば、二叉分岐チャネル310A〜Fは壁剪断速度およびなめらかな流体フローを維持するのに有用であるが、複数の二叉分岐は比較的大きな体積の空間を占めるため、デバイス全体のサイズが大きい必要がある。二叉分岐チャネル310A〜310Fなどの二叉分岐ネットワークを、幹302および分枝チャネル304A〜304Cなどの幹および分枝ネットワークに連結すると、壁剪断速度を全体にわたって許容範囲内に保持しながら、デバイス全体をより小さくできる。
上述の例における流体フローの方向は例示的なものにすぎない。例えば、チャネルネットワーク300は、流体をまず二叉分岐チャネル310A〜310Fに通し、次に分枝チャネル304Aへ、そして最後に幹302へと輸送するのに用いられてもよい。さらに、図3に図示しおよび上述した特徴は、チャネルネットワーク300内の任意の種類のチャネルに適用されてもよい。例えば、図3は幹302に沿って先細であることのみを示しているが、ネットワーク300内の他の任意のチャネルもまた先細であってもよい。同様に、分枝チャネル304A〜304Cについて示されている湾曲構造も、幹302または二叉分岐310A〜310Fなどの、ネットワーク300内の他の任意のチャネルに適用されてもよい。
図4に、図3の二叉分岐サブネットワーク312と似た、流体フローを分けて再合流させるための二叉分岐チャネルのネットワーク400を示す。二叉分岐ネットワーク400は、インレットチャネル402、二叉分岐チャネル404A〜404B、およびアウトレットチャネル406を含む。二叉分岐ネットワーク400はまた、インレットチャネル402から二叉分岐チャネル404A〜404Bへと流体フローを分けるための分流部408、および、二叉分岐チャネル404A〜404Bからアウトレットチャネル406へと流体フローを再合流させるための収束地点410も含む。
分流部408は二叉分岐チャネル404A〜404Bの壁の接合部によって形成される。インレットチャネル402を通って移動する流体は、分流部408によって、二叉分岐チャネル404Aまたは二叉分岐チャネル404Bのいずれかに入るように向け直される。分流部408および二叉分岐チャネル404A〜404Bは、インレットチャネル402からの総流体フローを、二叉分岐チャネル404Aおよび404Bに実質的に均等に分けるように構成される。いくつかの実施形態において、分流部408の曲率半径412が事実上ゼロとなるように、二叉分岐チャネル404Aおよび404Bの壁は鋭角点において接合する。他の実施形態において、流体がより均一に二叉分岐チャネル404A〜404Bに流入できるよう、分流部408は、二叉分岐チャネル404Aおよび404Bの壁に接続する、丸みのついた表面を有する。いくつかの実施形態において、分流部408は、曲率半径412がインレットチャネル402の水力直径以下であるように設計される。このことは、均一なフローの維持に役立つとともに、血液などの剪断感受性流体について剪断速度を指定の範囲内に保つ。
二叉分岐チャネル404Aおよび404Bを通る流体フローは、二叉分岐チャネル404Aおよび404Bの壁の下流接合部によって規定される収束地点410において再合流されて、アウトレットチャネル406に入る。いくつかの実施形態において、二叉分岐チャネル404Aおよび404Bの各々は、収束地点410において実質的にまっすぐな壁を有する。他の実施形態において、二叉分岐チャネル404Aおよび404Bは収束地点410において湾曲している。例えば、図4に示す二叉分岐チャネル404Aおよび404Bは、収束地点410において反対向きの湾曲を有している。湾曲した分流部408と同様に、収束地点410において反対向きの湾曲があると、渦流および渦巻が減少するとともに剪断速度が指定の範囲内に維持され、これにより、チャネルが医療用デバイスに用いられた場合に血液の健康が促進される。
図5に、流体を輸送するためのチャネルネットワーク500を示す。ネットワーク500は幹チャネル502および分枝チャネル504A〜Cを含む。分枝チャネル504Aおよび504Bはそれぞれ低圧ゾーン506Aおよび506Bを含む。1つの実施形態において、ネットワーク500は、図2に示されている血液基板層200内のチャネルネットワークを表す。例えば、図5の幹502は図2の一次チャネル202に対応し、分枝チャネル504A〜504Cは図2の二次チャネル204に対応する。チャネルネットワーク500はまた、図1Aのマニホールド110、112、114、および116ならびに二重層102内のチャネルも表しうる。例えば、幹502は血液インレットマニホールド110の一次チャネル118を表してもよく、分枝504A〜504Cは二次チャネル120を表してもよい。
1つの実施形態において、ある体積の流体が幹502の最も幅広の地点に入る。流体は幹502に沿って移動し、分枝チャネル504A〜504Cを通るように向け直される。低圧ゾーン506Aおよび506Bは、流体が幹502から分枝チャネル504Aおよび504Bへと向け直されるのを容易にする。低圧ゾーン506Aおよび506Bは、幹502と分枝チャネル504Aおよび504Bとの接合部に位置する。低い流体圧は、分枝チャネル504Aおよび504Bの下流部分の直径に対して、分枝チャネル504Aおよび504Bの接合点における直径を大きくすることによってもたらされる。幹を通って流れる流体は、低圧ゾーン506Aおよび506Bがあることによって、より容易に分枝チャネル504Aおよび504Bへと向け直される。図5に描かれているように、低圧ゾーン506Aおよび506Bは丸みのついた形状を有する。
分枝チャネル504A〜504Cと幹502との間の接合部の角度は、幹502から分枝チャネル504A〜Cに流体がなめらかに流れることができるように選択される。図5に示されているように、分枝チャネル504Aと幹502との接合部によって形成され、かつ接合部付近で測定される角度508は、鋭角である。いくつかの実施形態において、チャネルネットワーク500は、角度508が約60°未満となるように設計される。角度508がより小さい値であると、流体が幹502から分枝チャネル504Aへと向け直される際に流体フローが鋭角に曲がることを避けることができる。そのような構成は、壁剪断速度を指定の範囲内に維持するのに役立ち、このことは、流体が剪断感受性（例えば血液）である場合に有用であり得る。
図6は、チャネルネットワーク600の略図である。チャネルネットワーク600は、図1Aおよび図1Bに示されているデバイスなどの、剪断感受性流体の輸送を必要とする用途において有用であり得る。ネットワーク600内のチャネルの特徴は、小さな体積の空間のみを占めながらも比較的低い壁剪断速度を維持するように構成されてもよい。チャネルネットワーク600は、一次チャネル602、二次チャネル604Aおよび604B、三次チャネル606A〜606F、ならびに、チャネル608Aおよび608Bなどの四次チャネルを含む。
チャネルネットワーク600は、基板610内に形成されてもよい。1つの実施形態において、チャネルネットワーク600は、図1に示されている血液基板層104内で用いられてもよい。
ある体積の流体が、一次チャネル602の最も幅広の地点に入る。流体は、次に二次チャネル604Aと二次チャネル604Bとの間で分けられる。いくつかの実施形態において、チャネルは、二次チャネル604Aを通って流れる流体の体積が、チャネル604Bを通って流れる流体の体積と実質的に等しくなるように構成される。一次チャネル602と二次チャネル604Aおよび604Bとの接合部は、図4に示されているような、チャネル402のチャネル404Aおよび404Bへの二叉分岐との関連において上述した特徴と同様の特徴を含んでいてもよい。例えば、一次チャネル602と二次チャネル604Aおよび604Bとの接合部は、流体が一次チャネル602から流れ出る際に二次チャネル604Aと604Bとの間で流体を分けるための分流部612を含んでいてもよい。いくつかの実施形態において、分流部612は、一次チャネル602の水力直径以下である曲率半径を有していてもよい。例えば、分流部は、図6に示されているように、事実上ゼロの半径を有する鋭角点を形成していてもよい。他の実施形態において、分流部612は、二次チャネル604Aおよび604Bの壁の接合部により形成されるなめらかな丸みのついた形状を有していてもよい。この設計は、壁剪断速度を指定の範囲内に維持するのに役立ち得、かつ、一次チャネル602を出る流体を二次チャネル604Aと604Bとの間で均等に分けるのに役立ち得る。
流体が二次チャネル604Aおよび604Bに沿って移動する際に、流体の一部は三次チャネル606A〜606Cの各々を通るように向け直される。各三次チャネル606を通って流れる流体の体積は、三次チャネル606が連結されている二次チャネル604を通って流れる流体の総体積より実質的に少なくてもよい。例えば、三次チャネル606A〜606Cは、二次チャネル604Aを通って流れる流体の体積の均等な部分を受けるように構成されてもよい。いくつかの実施形態において、三次チャネル606と二次チャネル604との接合部は、分流部612と同様の特性を有する分流部を含んでいてもよい。
図6には二次チャネル604Aに接続されている3つのみの三次チャネル606A〜606Cが示されているが、チャネルネットワーク600は例示的なものにすぎないこと、ならびに、二次チャネル604Aおよび604Bは任意の数の三次チャネル606に連結されていてもよいことが理解されるべきである。いくつかの実施形態において、二次チャネル604Aおよび604Bは、二次チャネル606Aおよび606Bの他の側にある追加の三次チャネル（図6には示されていない）に連結している。そのような追加のチャネルは、二次チャネル604の三次チャネル606A〜606Fと同じ側かまたは反対側で二次チャネル604から分枝していてもよい。
いくつかの実施形態において、チャネルネットワーク600は、図3との関連において上述した特徴を含んでいてもよい。例えば、各二次チャネル604Aおよび604Bは、流体により経験される壁剪断速度を小さくするために流体を湾曲経路に沿って向けることができる。いくつかの実施形態において、チャネル604Aおよび604Bの曲率半径は、チャネル604Aおよび604Bの水力直径以上であるように選択されてもよい。ネットワーク600内の他のチャネルもまた、湾曲形状を有していてもよい。
いくつかの実施形態において、ネットワーク600におけるチャネルの水力直径はMurrayの法則に従って選択されてもよい。ネットワーク600を形成するチャネルの水力直径は、Murrayの法則を維持するために、例えば、比較的少ない流体が存在するチャネルの領域で直径が減少することにより、先細の形状を有していてもよい。
ネットワーク600内のチャネルは、分枝してまたは二叉に分岐して他のチャネルとなってもよい。例えば、三次チャネル606Cの四次チャネル608Aおよび608Bへの二叉分岐により示されているとおりである。二叉分岐は、分流部612の特性と同様の特性を有する分流部により形成されてもよい。いくつかの実施形態において、四次チャネル608は、収束地点614などの収束地点で再合流してもよい。図6に示されているように、四次チャネル608Aおよび608Bは、収束地点614において実質的にまっすぐな壁を各々有していてもよい。他の実施形態において、四次チャネル608Aおよび608Bは、収束地点410において湾曲している。例えば、四次チャネル608Aおよび608Bは、図4の収束地点410との関連において上述したように、収束地点614において反対向きの湾曲を有していてもよい。収束地点614は、なめらかな流体フローおよび低い壁剪断速度を維持するように設計されてもよく、これにより、チャネルが医療用デバイスに用いられた場合に血液の健康が促進される。
ネットワーク600においてチャネルから延びる点線は、チャネルが、示されていない他のチャネル特徴（例えば、追加のチャネル二叉分岐または再合流）に続いてもよく、かつそれらを含んでもよいことを示すように意図されている。基板610もまた、基板610の縁から延びる点線により示されているように、チャネルネットワーク600が基板610によって完全に封入されるように延長されていてもよい。いくつかの実施形態において、チャネルネットワーク600は、流体が通って基板610を出ることができるアウトレットチャネルを含んでいてもよい。
以上、いくつかの例示的な実施形態を説明したが、前述の内容は例によって示されたものであるので、説明のためのものであって限定的ではないことが明らかであろう。具体的には、本明細書に提示されている例の多くは方法の行為またはシステムの要素の特定の組み合わせを含むが、同じ目的を達するために、それらの行為およびそれらの要素が他の方法で組み合わされてもよい。1つの実施形態との関連においてのみ説明された行為、要素、および特徴が、他の実施形態における同様の役割から除外されることは意図されていない。
本明細書に説明されているシステムおよび方法は、その特性から逸脱することなく、他の具体的な形態でも実施されうる。前述の実施形態は、説明されるシステムおよび方法を限定するのではなく、説明のためのものである。ゆえに、本明細書に説明されているシステムおよび方法の範囲は、前述の説明ではなく添付の特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲の意味および等価範囲内に入る変更は、それに包含される。

Claims (15)

  1. 複数の第一チャネルを有する第一のチャネルネットワークであって、各第一チャネルが、高さが約50ミクロン〜約500ミクロンの範囲内であり、幅が約50ミクロン〜約1.5ミリメートルの範囲内であり、かつ長さが約3センチメートル〜約20センチメートルの範囲内である、第一のチャネルネットワークと；
    該第一チャネルのうちの1つまたは複数に対して相補的である少なくとも1つの第二チャネルを有する、第二のチャネルネットワークと；
    該1つまたは複数の第一チャネルを該少なくとも1つの第二チャネルから隔てる濾過膜と
    を含むマイクロ流体デバイスであって、該複数の第一チャネルが、
    一次チャネルを形成する入力チャネルと、複数の二次チャネルと、アウトレットチャネルとをさらに含み、第一の二次チャネルを通る流体流量が第二の二次チャネルを通る流体流量と実質的に同じになり、かつ、該第一の二次チャネルと該第二の二次チャネルとの間の総流体流量が該一次チャネルを通る流体流量と実質的に同じになるように、該一次チャネルが第一接合部において二叉に分岐して第一および第二の二次チャネルとなり；
    第一の三次チャネルが、該第一の二次チャネルに沿った第一距離に位置する第二接合部において該第一の二次チャネルに接続し；かつ
    第二の三次チャネルが、該第一の二次チャネルに沿った、該第一距離より大きい第二距離に位置する第三接合部において第一の二次チャネルに接続し、該第二接合部を越えて該第一の二次チャネルを通る流体のフローが、該第一の二次チャネルに入る流体のフローより実質的に大きくなるように、該第一の二次チャネルならびに該第一および第二の三次チャネルが構成されている、マイクロ流体デバイス。
  2. 前記複数の第一チャネルが第一基板内に位置する、請求項1に記載のマイクロ流体デバイス。
  3. 第一基板の厚さが50ミクロン以上でありかつ10ミリメートル以下である、請求項2に記載のマイクロ流体デバイス。
  4. 濾過膜が、前記複数の第一チャネルのサブセットのみを、前記少なくとも1つの第二チャネルから隔てる、請求項1に記載のマイクロ流体デバイス。
  5. 第一の四次チャネルを通る流体流量が第二の四次チャネルを通る流体流量と実質的に同じになり、かつ、該第一および第二の四次チャネルを通る総流体流量が、第一の二次チャネルと第四接合部との間の少なくとも1つの三次チャネルの部分を通る流体流量と実質的に同じになるように、第一および第二の三次チャネルのうちの少なくとも1つが、第四接合部において二叉に分岐して第一および第二の四次チャネルとなる、請求項1に記載のマイクロ流体デバイス。
  6. 第一の四次チャネルと第二の四次チャネルとの間で流体フローを分けるための分流部をさらに含むマイクロ流体デバイスであって、該分流部が、該第一および第二の四次チャネルの壁に接続している曲面を有し、かつ、該分流部の曲率半径が、前記少なくとも1つの三次チャネルの水力直径以下である、請求項5に記載のマイクロ流体デバイス。
  7. 第三および第四の四次チャネルを通って流れる流体の全部が次いで第三の三次チャネル内に輸送されるように、反対の湾曲を有する地点で収束して第三の三次チャネルを形成する第三および第四の四次チャネルをさらに含む、請求項5に記載のマイクロ流体デバイス。
  8. 少なくとも1つの三次チャネルと二次チャネルとの接合部の近傍部分における該少なくとも1つの三次チャネルの直径が、該接合部に低流体圧ゾーンが作り出されるように、該少なくとも1つの三次チャネルの下流部分の直径より顕著に大きい、請求項1に記載のマイクロ流体デバイス。
  9. 少なくとも1つの三次チャネルの中心線と、該少なくとも1つの三次チャネルが接続している二次チャネルの中心線の下流部分とによって形成される角度が、1〜60度の間である、請求項1に記載のマイクロ流体デバイス。
  10. 血液がチャネルを通って輸送されているときに、剪断速度を200s-1以上かつ2000s-1以下に維持するように、前記複数の第一チャネルがさらに構成されている、請求項1に記載のマイクロ流体デバイス。
  11. 一次チャネルの壁が、該一次チャネルを通る流体フローの方向に対して30度以下の角度で配置されている、請求項1に記載のマイクロ流体デバイス。
  12. 少なくとも1つの三次チャネルが、少なくとも1つの二次チャネルから離れるようにフローを向ける湾曲部分を含む、請求項1に記載のマイクロ流体デバイス。
  13. 前記少なくとも1つの三次チャネルの湾曲部分が、その水力直径以上である曲率半径を有する、請求項12に記載のマイクロ流体デバイス。
  14. 前記複数の第一チャネルのうちの少なくとも1つまたは前記少なくとも1つの第二チャネルが、実質的に半円形の断面を有する、請求項1に記載のマイクロ流体デバイス。
  15. 前記複数の第一チャネルのうちの少なくとも1つまたは前記少なくとも1つの第二チャネルが、湾曲した側壁によって接合された実質的に平坦な上壁および底壁を有する、請求項1に記載のマイクロ流体デバイス。
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