JP2017515669A - 圧電要素変換器アレイを伴う音響泳動デバイス - Google Patents

Abstract

粒子を流体流から分離するための装置は、少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を有する流動チャンバを含む。少なくとも１つの超音波変換器が、流動チャンバの壁上に位置する。変換器は、少なくとも２つの圧電要素を伴う圧電アレイを含む。圧電アレイは、圧電材料を含み、多次元音響定在波を流動チャンバ内に生成する。反射体が、少なくとも１つの超音波変換器から流動チャンバの反対側の壁上に位置する。一実施形態において、圧電アレイは、単一結晶上に存在し、１つ以上のチャネルが、圧電要素を互いから分離している。

Description

本願は、米国特許出願第１４／０２６，４１３号（２０１３年９月１３日出願）の一部継続出願であり、該出願は、米国特許出願第１３／８４４，７５４号（２０１３年３月１５日出願）の一部継続出願であり、該出願は、米国仮特許出願第６１／６１１，１５９号（２０１２年３月１５日出願）、米国仮特許出願第６１／６１１，２４０号（２０１２年３月１５日出願）、米国仮特許出願第６１／７５４，７９２号（２０１２年３月１５日出願）の利益を主張する。これらの出願は、それらの全体が参照により本明細書に引用される。

粒子／流体混合物をその別個の成分に分離する能力は、多くの用途において望ましい。音響泳動は、高強度音波を使用し、膜または物理的サイズ除外フィルタの使用を伴わない、粒子の分離である。音の高強度定在波は、音響対比因子として別様に知られる、密度および／または圧縮率の両方に差異が存在するとき、流体中の粒子に力を及ぼすことができることが公知である。定在波における圧力プロファイルは、極小値圧力振幅のエリアをその波節に、極大値のエリアをその波腹に含む。粒子の密度および圧縮率に応じて、粒子は、定在波の波節または波腹に捕捉されるであろう。定在波の周波数が高いほど、定在波の圧力に起因して捕捉され得る粒子は小さくなる。

いかなる無駄も排除し、要求されるエネルギーを低減し、それによって、持続可能環境を促進する、多成分液体流のための効率的分離技術が、必要とされる。

本開示は、好ましくは、大規模における音響泳動のためのシステムおよびデバイスに関する。デバイスは、本明細書に説明されるように、１つ以上の特有の超音波変換器を使用する。変換器は、複数の圧電要素から作製される長方形アレイを含む。変換器は、多次元定在波を産生する周波数で駆動される。

本明細書における種々の実施形態では、第２の流体または微粒子をホスト流体から分離するための装置であって、少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を有する流動チャンバと、流動チャンバの壁上に位置している少なくとも１つの超音波変換器であって、流動チャンバ内に多次元音響定在波を生成するための電圧信号によって駆動されることが可能である、複数の圧電要素から形成されている圧電アレイを含む、変換器と、少なくとも１つの超音波変換器と反対側の流動チャンバの壁上に位置している少なくとも１つの反射体とを備えている、装置が、開示される。軸方向および横方向音響力は、同一規模である。第２の流体または微粒子は、多次元音響定在波の圧力波節（音響放射電位の最小値）に凝塊し、重力分離に起因して、多次元音響定在波から継続的に落下するか、または浮力に起因して、多次元音響定在波から継続的に上昇する。

いくつかの実施形態では、圧電アレイは、単一結晶上に存在し、１つ以上のチャネルが、圧電要素を互いから分離している。圧電材料と異なる注封材料が、１つ以上のチャネル内に存在することができる。注封材料は、エポキシ等のポリマーであり得る。

他の実施形態では、各圧電要素は、注封材料によって周囲の圧電要素から物理的に分離される。注封材料は、エポキシ等のポリマーであり得る。

圧電アレイは、長方形アレイであることができる。各圧電要素は、同一寸法を有し得る。各圧電要素は、それ自身の対の電極に個々に接続され得る。

特定の実施形態では、曲線を付けて作られたノズル壁が、流動チャンバの少なくとも１つの入口の上流に位置する。

さらに、第２の流体または微粒子をホスト流体から分離する方法であって、ホスト流体および第２の流体または微粒子の混合物を装置を通して流動させることであって、装置は、少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を有する流動チャンバと、流動チャンバの壁上に位置している少なくとも１つの超音波変換器であって、流動チャンバ内に多次元定在波を生成するための電圧信号によって駆動されることが可能である、複数の圧電要素から形成されている圧電アレイを含む、変換器と、少なくとも１つの超音波変換器と反対側の流動チャンバの壁上に位置している少なくとも１つの反射体とを備えている、ことと、電圧信号を圧電アレイに送信し、第２の流体または微粒子が、サイズにおいて増大し、重力分離を通して、多次元音響定在波から継続的に落下するように、流体の流動に対して第２の流体または微粒子を捕捉する多次元音響定在波を形成し、凝塊を可能にすることとを含む、方法も開示される。分離される物質は、流体流動によってチャンバから掃引されるか、ポケット内に収集されるか、またはより小さい体積に圧縮され得る。

微粒子は、チャイニーズハムスターの卵巣（ＣＨＯ）細胞、ＮＳ０ハイブリドーマ細胞、ベビーハムスターの腎臓（ＢＨＫ）細胞、またはヒト細胞であり得る。

時として、圧電要素は、互いに位相がずれるように動作させられる。他の場合には、圧電要素は、互いに同相であるように動作させられる

流動チャンバを通るホスト流体の流量は、少なくとも２５ｍＬ／分であり得る。圧電要素は、１００ｋＨｚ〜２０ＭＨｚ、またはより具体的実施形態では、約２ＭＨｚ〜約２．５ＭＨｚの範囲内の周波数で動作させられ得る。

大部分の実施形態では、多次元定在波は、同一規模の軸力成分および横力成分を有する音響放射力をもたらす。

圧電アレイは、単一結晶上に存在することができ、１つ以上のチャネルが、圧電要素を互いから分離している。圧電材料と異なる注封材料が、１つ以上のチャネル内に存在し得る。

他の実施形態では、各圧電要素は、注封材料によって周囲の圧電要素から物理的に分離される。各圧電要素は、それ自身の対の電極に個々に接続され得る。

これらおよび他の非限定的特性は、以下により具体的に説明される。

以下は、図面の簡単な説明であり、本明細書に開示される例示的実施形態を図示する目的のために提示されるものであり、それを制限する目的のためのものではない。

図１Ａは、ホスト流体より密度が低い二次流体または粒子を伴う、音響泳動分離器の機能を図示する略図である。

図１Ｂは、ホスト流体より密度の高い二次流体または粒子を伴う、音響泳動分離器の機能を図示する略図である。

図２は、従来の超音波変換器の断面略図である。

図３Ａは、本開示において使用され得る、超音波変換器構造の断面略図である。空隙が、変換器内に存在し、裏材層または摩耗板は、存在しない。

図３Ｂは、本開示において使用され得る、超音波変換器構造の断面略図である。空隙が、変換器内に存在し、裏材層および摩耗板も、存在する。

図４は、超音波変換器内で使用される、従来の単一片モノリシック圧電結晶である。

図５は、本開示の変換器において使用される、１６個の圧電要素を有する例示的長方形圧電アレイである。

図６は、本開示の変換器において使用される、２５個の圧電要素を有する別の例示的長方形圧電アレイである。

図７は、音響放射力、重力／浮力、および粒径に対するストークスの抗力の関係を示すグラフである。水平軸は、ミクロン（μｍ）で、垂直軸は、ニュートン（Ｎ）である。

図８は、異なる周波数で駆動される正方形変換器に関する電気インピーダンス振幅対周波数のグラフである。

図９Ａは、流体流動と直交方向からの図８の７つの最小振幅に関する捕捉線構成を図示する。

図９Ｂは、分離器を図示する斜視図である。流体流動方向および捕捉線が、示される。

図９Ｃは、粒子が捕集されるであろう定在波の捕捉波節を示す図９Ｂの流体流動方向（矢印１１４）に沿った流体入口からの図である。

図９Ｄは、図９Ｂに示されるような矢印１１６に沿った捕捉線構成における変換器面を通してとられた図である。

図１０Ａは、浮揚性物質を分離するための音響泳動分離器を示す。

図１０Ｂは、曲線を付けて作られたノズル壁１２９および収集ダクト１３７の交差点近傍の流体流動の拡大図である。

図１１Ａは、生物製剤用途において使用される音響泳動分離器の分解図を示す。

図１１Ｂは、２つの音響チャンバを伴う、スタックされた音響泳動分離器の分解図を示す。

図１２Ａは、ある実験のためにＢｅｃｋｍａｎ Ｃｏｕｌｔｅｒ Ｃｅｌｌ Ｖｉａｂｉｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｚｅｒを使用して細胞を媒体から除去する効率を示すグラフである。

図１２Ｂは、別の実験のためにＢｅｃｋｍａｎ Ｃｏｕｌｔｅｒ Ｃｅｌｌ Ｖｉａｂｉｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｚｅｒを使用して細胞を媒体から除去する効率を示すグラフである。

図１３は、超音波変換器および変換器アレイのシミュレーションのために開発された２次元数値モデルの概略を示す。

図１４Ａ−１４Ｄは、数値モデルの正確度を図示する公開されたデータ（上）に対する図１３の数値モデル（下）の結果を比較する略図である。図１４Ａは、音響電位Ｕを比較する。図１４Ｂは、音響放射力（ＡＲＦ）のｘ成分を比較する。図１４Ｃは、ＡＲＦのｙ成分を比較する。図１４Ｄは、ＡＲＦの絶対値を比較する。

図１５は、図１３のモデル内のモノリシック圧電結晶によって発生させられた音響定在波の振幅を示す略図である。周波数は、２．２４５ＭＨｚである。水平軸は、Ｘ軸に沿った場所であり、垂直軸は、変換器と反射体との間のＹ軸に沿った場所である。

図１６は、図１３のモデル内の４要素圧電アレイによって発生させられる音響定在波の振幅を示す略図である。周波数は、２．２４５ＭＨｚであり、要素間の整相は、変動させられる。

図１７は、図１３のモデル内の５要素圧電アレイによって発生させられる音響定在波の振幅を示す略図である。周波数は、２．２４５ＭＨｚであり、要素間の整相は、変動させられる。

図１８は、図５に示されるように切り溝が結晶内に作製された２ＭＨｚ ＰＺＴ−８結晶から作製される４×４圧電アレイを伴う、音響泳動設定の写真である。

図１９は、位相がずれたアレイを使用した実際の音響泳動実験を用いた位相がずれた圧電アレイのシミュレーションの比較である。このシミュレーションに対して、「位相がずれた」とは、送達される電圧の位相角を指す。位相がずれた試験に対して、整相は、数値モデルに対して０°〜１８０°変動させられる。実験試験に対して、要素は、格子縞パターンで変動させられる。

図２０は、同相アレイを使用した実際の音響泳動実験を用いた同相圧電アレイのシミュレーションの比較である。このシミュレーションに対して、「同相」とは、送達される電圧の位相角を指す。同相試験に対して、位相は、全要素間で一定に保たれた。

図２１は、切り溝が付けられた結晶（上）対注封材料によって一緒に接合された圧電要素を有する変換器アレイ（下）を図示する写真である。

図２２は、４要素アレイに対して試験された位相がずれたモードを示す略図である。

図２３は、５要素アレイに対して試験された位相がずれたモードを示す略図である。

図２４は、モノリシック圧電結晶シミュレーションから正規化された音響放射力（ＡＲＦ）を示すグラフである。

図２５は、モノリシック圧電結晶シミュレーションに関するＡＲＦ成分（横対軸）の比率を示すグラフである。

図２６は、可変整相を用いた５要素シミュレーションに関する正規化された音響放射力（ＡＲＦ）を示すグラフである。

図２７は、５要素シミュレーションに関するＡＲＦ成分（横対軸）の比率を示すグラフである。

図２８は、位相がずれた試験の間のアレイの整相を示す略図である。試験されたとき、暗色要素は、０°位相角を有し、明色要素は、１８０°位相角を有していた。

本開示は、その中に含まれる所望の実施形態および実施例の以下の発明を実施するための形態を参照することによって、より容易に理解され得る。以下の明細書および続く請求項では、以下の意味を有するものと定義される、いくつかの用語を参照する。

単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈によって明確に別様に示されない限り、複数参照も含む。

用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（〜を備えている）」は、列挙された構成要素／ステップの存在を要求し、他の構成要素／ステップの存在も可能にするように本明細書で使用される。用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（〜を備えている）」は、列挙された構成要素／ステップの製造から生じ得る任意の不純物とともに、列挙された構成要素／ステップのみの存在を可能にする、用語「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ（〜から成る）」を含むように解釈されるべきである。

数値は、同一の有効桁数まで丸められると同一である、数値と、値を決定するために本願で説明されるタイプの従来の測定技法の実験誤差未満だけ、記載の値と異なる、数値とを含むものと理解されたい。

本明細書に開示される範囲は、列挙される終点を含み、かつ独立して組み合わせ可能である（例えば、「２グラム〜１０グラム」の範囲は、終点である、２グラムおよび１０グラムと、全ての中間値とを含む）。

用語「実質的に」および「約」は、その値の基本機能を変化させずに変動し得る、任意の数値を含むために使用されることができる。ある範囲とともに使用されるとき、「実質的に」および「約」はまた、２つの終点の絶対値によって定義される範囲、例えば、「約２〜約４」はまた、範囲「２〜４」を開示する。用語「実質的に」および「約」は、示される数の±１０％を指し得る。

本明細書で使用される用語の多くは、相対的用語であることに留意されたい。例えば、用語「上側」および「下側」は、場所において互いに相対的であり、すなわち、上側構成要素は、所与の向きにおいて、下側構成要素より高い高さに位置するが、これらの用語は、デバイスが反転される場合、変化することができる。用語「入口」および「出口」は、所与の構造に対して、それらを通して流動する流体に相対的であり、例えば、流体は、入口を通して、構造に流入し、出口を通して、構造から流出する。用語「上流」および「下流」は、流体が種々の構成要素を通して流動する方向に相対的であり、すなわち、流体は、下流構成要素を通して流動するのに先立って、上流構成要素を通して流動する。ループ内では、第１の構成要素は、第２の構成要素の上流かつ下流の両方であるものとして説明されることができることに留意されたい。

用語「水平」および「垂直」は、絶対基準、すなわち、基底準位に対する方向を示すために使用される。用語「上方」または「下方」もしくは「上向き」および「下向き」もまた、絶対基準に対するものである。上向き流動は、常時、地球の重力に対抗する。

本願は、「同一規模」に言及する。２つの数は、より小さい数によって除算されるより大きい数の商が１０未満の値である場合、同一規模である。

本開示の音響泳動分離技術は、超音波音響定在波を用いて、粒子または二次流体をホスト流体流中に捕捉する（すなわち、定常にしておく）。粒子または二次流体は、ホスト流体に対する粒子または二次流体の音響対比因子に応じて、多次元音響定在波の波節または波腹に集まり、群集を形成し、群集は、群集が多次元音響定在波の保持力を克服するために十分な大きさのサイズに成長すると（例えば、融合または凝塊によって）、最終的に、多次元音響定在波から落下する。これは、音響放射力の影響によって粒子軌道が単に変えられた以前のアプローチとの重要な差異である。粒子からの音響場の散乱は、３次元捕捉場として作用する３次元音響放射力をもたらす。音響放射力は、粒子が波長に対して小さいとき、粒子体積（例えば、半径の３乗）に比例する。それは、周波数および音響対比因子（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｆａｃｔｏｒ）に比例する。それはまた、音響エネルギー（例えば、音響圧力振幅の２乗）に伴って変化する。調和励振に対して、力の正弦波空間変動は、粒子を定在波内の安定位置に駆動するものである。粒子に及ぼされる音響放射力が、流体抗力、浮力、および重力の組み合わせられた効果より強い場合、粒子は、音響定在波内に捕捉される。これは、捕捉された粒子の集中、凝塊、および／または融合をもたらし、次いで、捕捉された粒子は、重力分離を通して、多次元音響定在波から継続的に落下するであろう。強い横力は、粒子の迅速な群がりをもたらす。ある物質の比較的に大きい固体は、したがって、高められた重力分離を通して、異なる物質、同一物質、および／またはホスト流体のより小さい粒子から分離されることができる。

この点において、対比因子は、粒子および流体自体の圧縮率と密度との間の差異である。これらの特性は、粒子および流体自体の特性である。大部分の細胞タイプは、それらが懸濁される媒体より高い密度およびより低い圧縮率を呈し、それによって、細胞と媒体との間の音響対比因子は、正の値を有する。その結果、軸方向の音響放射力（ＡＲＦ）が、正の対比因子を伴う細胞を圧力波節面に駆動し、負の対比因子を伴う細胞または他の粒子は、圧力波腹面に駆動される。音響放射力の半径方向または横の成分は、細胞を捕捉する。ＡＲＦの半径方向または横の成分は、流体抗力および重力の組み合わせられた効果より大きい。半径方向または横の成分は、細胞／粒子を平面に駆動し、そこで、細胞／粒子は、より大きい群に群がることができ、次いで、細胞／粒子は、流体から重力分離するであろう。

細胞が定在波の波節に凝塊するにつれて、生じる細胞培養媒体の物理的擦り落としもあり、それによって、より多くの細胞が定在波内にすでに保持される細胞と接触するにつれて、それらが捕捉される。これは、概して、細胞を細胞培養媒体から分離する。発現した生体分子は、栄養流体流（すなわち、細胞培養媒体）中に留まる。

３次元音響場に対して、Ｇｏｒ’ｋｏｖの公式が、任意の音場に適用可能である音響放射力Ｆ_ａｃを計算するために使用されることができる。一次音響放射力Ｆ_ａｃは、電場電位Ｕの関数として定義される。
式中、電場電位Ｕは、以下のように定義される。
ｆ_１およびｆ_２は、以下によって定義される単極子および双極子の寄与である。
式中、ｐは、音響圧力であり、ｕは、流体粒子速度であり、Λは、流体密度ρ_ｆに対する細胞密度ρ_ｐの比率であり、σは、流体音速ｃ_ｆに対する細胞音速ｃ_ｐの比率であり、Ｖ_ｏは、細胞の体積であり、＜＞は、波周期にわたる時間平均を示す。Ｇｏｒ’ｋｏｖの公式は、波長より小さい粒子に適用される。より大きい粒径に関して、Ｉｌｉｎｓｋｉｉが、任意の粒径に対する３Ｄ音響放射力を計算するための方程式を提供している。Ｉｌｉｎｓｋｉｉ，Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｆｏｒｃｅ ｏｎ ａ Ｓｐｈｅｒｅｉｎ Ｔｉｓｓｕｅ，Ｔｈｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ，１３２，３，１９５４（２０１２）（参照することによって本明細書に組み込まれる）を参照されたい。

多重モード方式における超音波変換器内の圧電結晶の摂動は、多次元音響定在波の発生を可能にする。圧電結晶は、設計された周波数において多重モード方式で変形し、多次元音響定在波の発生を可能にするように具体的に設計されることができる。多次元音響定在波は、多次元音響定在波を発生させるであろう３×３モード等の圧電結晶の別個のモードによって発生させられ得る。多数の多次元音響定在波がまた、圧電結晶が多くの異なるモード形状を通して振動することを可能にすることによって発生させられ得る。したがって、結晶は、０×０モード（すなわち、ピストンモード）を１×１、２×２、１×３、３×１、３×３、および他のより高次のモードへ等、複数のモードを励起し、次いで、結晶のより低いモードを通して戻るようにサイクルするであろう（必ずしも、連続した順序ではない）。モード間の結晶のこの切り替わりまたはディザリングは、指定された時間にわたって発生させられるべき単一ピストンモード形状とともに、種々の多次元波形状を可能にする。

本開示では、単一超音波変換器は、圧電要素の長方形アレイを含み、圧電要素は、アレイのいくつかの構成要素が、アレイの他の構成要素と位相がずれるであろうように動作させられることができる。これも、流体流中の物質を分離することができる。

音響泳動デバイスのための具体的用途の１つは、生物反応器物質の処理におけるものである。流加バッチ方式生物反応器では、産生サイクルの終了時に、細胞および細胞破片の全てを流体流中にある発現した物質からフィルタ処理することが重要である。発現した物質は、組換タンパク質またはモノクローナル抗体等の生体分子から成り、回収されるべき所望の生成物である。音響泳動の使用を通して、細胞および細胞破片の分離は、非常に効率的であり、発現した物質の損失が殆どない結果につながる。これは、高細胞密度において限定された効率を示す現在の濾過プロセス（深層濾過、タンジェント流濾過、遠心分離）に優る改良であり、フィルタ層自体内の発現した物資の損失は、生物反応器によって産生される物質の最大５％であり得る。チャイニーズハムスターの卵巣（ＣＨＯ）、ＮＳ０ハイブリドーマ細胞、ベビーハムスターの腎臓（ＢＨＫ）細胞、およびヒト細胞を含む、哺乳類細胞培養の使用は、今日の医薬品の要求される組換タンパク質およびモノクローナル抗体を産生／発現するための非常に効果的方法であることが証明されている。音響泳動を通した哺乳類細胞および哺乳類細胞破片の濾過は、流加バッチ方式生物反応器の収率を著しく増加させるのを支援する。多次元音響波の使用を通した音響泳動プロセスはまた、珪藻土を使用する深層濾過、タンジェント流濾過（ＴＦＦ）、または他の物理的濾過プロセス等の上流もしくは下流の標準的濾過プロセスと結合され得る。

別のタイプの生物反応器である、潅流反応器は、ＣＨＯ細胞からの標的タンパク質またはモノクローナル抗体の連続発現を使用する。これは、より高速の産生サイクルにおけるはるかに小さい専有面積を可能にする。タンパク質を産生／発現させるときにＣＨＯ細胞を流体流中に保持するための音響泳動の使用は、非常に効率的であり、閉ループ産生方法である。それはまた、物質のいずれもフィルタ層内で損失されないという点において、タンパク質およびモノクローナル抗体の最大産生効率を可能にする。

流加バッチ方式生物反応器プロセスでは、音響泳動デバイスは、単数または複数の定在波を使用して、細胞および細胞破片を捕捉する。正の対比因子を有する細胞および細胞破片は、定在波の波節（波腹とは対照的に）に移動する。細胞および細胞破片が、定在波の波節に凝塊するにつれて、生じる流体流の物理的擦り落としもあり、それによって、より多くの細胞が定在波内にすでに保持される細胞と接触するにつれて、それらが捕捉される。多次元音響定在波内の細胞が、質量がもはや音響波によって保持可能ではない程度まで凝塊すると、捕捉された凝集した細胞および細胞破片は、重力を通して流体流から落下し、別個に収集されることができる。これは、重力分離の連続プロセスである。

高度多重物理学および複数の長さスケールのコンピュータモデルと、埋め込み式制御を伴う、高周波数（ＭＨｚ）、高電力、および高効率の超音波ドライバとが、組み合わせられ、圧電変換器のアレイによって駆動される音響共振器の新しい設計に到達し、現在の能力をはるかに超える音響泳動分離デバイスをもたらした。

望ましくは、そのような変換器は、多次元音響定在波を流体中に発生させ、多次元音響定在波は、軸力に伴うように横力を懸濁された粒子／二次流体に及ぼすことにより、音響泳動システムの粒子捕捉能力を増加させる。文献に発表された典型的結果は、横力が軸力より２桁小さい大きさであることを述べている。対照的に、本願で開示される技術は、軸力と同一規模の横力を提供する。

システムは、制御信号および増幅器（図示せず）によって駆動される。システム性能は、コンピュータによって監視および制御される。音響流に起因して、随時、定在波の周波数または電圧振幅を変調することが必要であり得る。これは、振幅変調および／または周波数変調によって行われ得る。定在波の伝搬のデューティサイクルも、物質の捕捉のためのある結果を達成するために利用され得る。言い換えると、音響ビームは、所望の結果を達成するために、異なる周波数でオンおよびオフにされ得る。

本開示の超音波変換器によって発生させられる総音響放射力（ＡＲＦ）の横力は、かなり大きく、最大２ｃｍ／秒以上の高線形速度の流体抗力を克服するために十分に大きい。例えば、本開示のデバイスを通る線形速度は、細胞／粒子の分離のために最小４ｃｍ／分であることができ、油／水相の分離のために２ｃｍ／秒程度であることができる。流量は、最小２５ｍＬ／分であることができ、４０ｍＬ／分〜１０００ｍＬ／分程度の範囲またはさらにより高くあることができる。これは、バッチ方式反応器、流加バッチ方式の生物反応器、および潅流生物反応器に当てはまる。

油、または他の水よりも軽い物質を除去するための実施形態の略図表現が、図１Ａに示される。典型的には、数百ｋＨｚ〜数十ＭＨｚの範囲内の励起周波数が、変換器１０によって印加される。１つ以上の定在波が、変換器１０と反射体１１との間に生成される。微小液滴１２が、圧力波腹１４において定在波内に捕捉され、そこで、凝塊、凝集、集塊、または合体し、浮揚性物質の場合、表面に浮遊し、流路の上方に位置する流出物出口１６を介して排出される。浄化された水は、出口１８から排出される。音響泳動分離技術は、はるかに削減されたコストにおいて、いかなる汚損も伴わずに、多成分粒子分離を達成することができる。

汚染物質、または他の水より重い物質を除去するための実施形態の略図表現は、図１Ｂに示される。典型的には、数百ｋＨｚ〜数十ＭＨｚの範囲内の励起周波数が、変換器１０によって印加される。流入水１３中の汚染物質は、圧力波節１５において定在波中に捕捉され、そこで、凝塊、凝集、集塊、または合体し、より重い物質の場合、底部コレクタに沈下し、流路の下方に位置する流出物出口１７を介して排出される。浄化された水は、出口１８から排出される。

概して、変換器は、流路の断面全体を覆うように配列される。図１Ａまたは図１Ｂの音響泳動分離システムは、ある実施形態では、６．３７５インチ×６．３７５インチの正方形断面を有し、この断面は、流量最大５ガロン／分（ＧＰＭ）または線形速度１２．５ｍｍ／秒で動作する。変換器１０は、１インチ×１インチ正方形断面および公称２または３ＭＨｚ共振周波数を伴う、ＰＺＴ−８（Ｌｅａｄ Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ Ｔｉｔａｎａｔｅ）変換器である。各変換器は、５ＧＰＭの流量で液滴を捕捉するために、約６０Ｗの電力を消費する。これは、エネルギーコスト０．５００ｋＷｈｒ／ｍ^３に相当する。これは、この技術が非常に低コストエネルギーであることの指示である。望ましくは、各変換器は、それ自身の増幅器によって給電および制御される。本実施形態のための用途の１つは、ミクロンサイズの油滴の凝塊、凝集、集塊、または合体を通して、はるかに大きい液滴へ粒径分布をシフトさせることである。

図２は、従来の超音波変換器の断面略図である。この変換器は、底端における摩耗板５０と、エポキシ層５２と、セラミック結晶５４（例えば、ＰＺＴから作製される）と、エポキシ層５６と、裏材層５８とを有する。セラミック結晶の両側には、電極、すなわち、正の電極６１と、負の電極６３とがある。エポキシ層５６は、裏材層５８を結晶５４に取り付ける。アセンブリ全体は、例えば、アルミニウムから作製され得る、筐体６０内に含まれる。電気アダプタ６２は、ワイヤが筐体を通過し、結晶５４に取り付けられる導線（図示せず）に接続するための接続を提供する。典型的には、裏材層は、減衰を追加し、広範囲の周波数にわたり均一変位を伴う広帯域変換器を生成するように設計され、かつ特定の振動固有モードにおける励起を抑制するように設計される。摩耗板は、通常、変換器が放射する媒体の特性インピーダンスにより良好に一致させるためのインピーダンス変成器として設計される。

図３Ａは、音響泳動分離器内で使用され得る、本開示の超音波変換器８１の断面図である。変換器８１は、ディスクまたはプレートとして成形され、アルミニウム筐体８２を有する。圧電結晶は、ある質量のペロブスカイトセラミック結晶であり、結晶の各々は、より大きい二価の金属イオン（通常、鉛またはバリウム）の格子内の小さい四価の金属イオン（通常、チタンまたはジルコニウム）と、Ｏ^２−イオンとから成る。実施例として、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）結晶８６は、変換器の底端を画定し、筐体の外部からさらされる。結晶は、結晶と筐体との間に位置する小さい弾性層９８（例えば、シリコーンまたは類似材料）によって、その周縁に支持される。換言すると、摩耗層は、存在しない。

ねじ８８が、筐体のねじ山によって、筐体のアルミニウム上部プレート８２ａを筐体の本体８２ｂに取り付ける。上部プレートは、変換器に給電するためのコネクタ８４を含む。ＰＺＴ結晶８６の上部表面は、正の電極９０および負の電極９２に接続され、正の電極９０と負の電極９２とは、絶縁材料９４によって分離される。電極は、銀またはニッケル等の任意の伝導性材料から作製されることができる。電力は、結晶上の電極を通してＰＺＴ結晶８６に提供される。結晶８６は、図２に存在するような裏材層またはエポキシ層を有していないことに留意されたい。換言すると、アルミニウム上部プレート８２ａと結晶８６との間の変換器内には、空隙８７がある（すなわち、空隙とは、完全に空である）。最小限の裏材５８および／または摩耗板５０が、いくつかの実施形態では、図３Ｂに見られるように提供され得る。

変換器設計は、システムの性能に影響を及ぼし得る。典型的変換器は、裏材層および摩耗板に接合されたセラミック結晶を伴う層状構造である。変換器は、流体によって提示される高機械インピーダンスによって負荷がかけられるので、摩耗板のための従来の設計指針（例えば、定在波用途のための１／２波長厚または放射用途のための１／４波長厚）および製造方法は、適切ではない場合がある。むしろ、本開示の一実施形態では、変換器は、摩耗板または裏材を有しておらず、結晶が、高Ｑ係数を伴ってその固有モードのうちの１つにおいて振動することを可能にする。振動セラミック結晶／ディスクは、直接、流動チャンバを通して流動する流体にさらされる。

裏材の除去（例えば、結晶を空気で裏張りさせる）もまた、セラミック結晶が、殆ど減衰を伴わずに、高次振動モード（例えば、高次モード変位）で振動することを可能にする。裏材を伴う結晶を有する変換器では、結晶は、ピストンのように、均一変位を伴って振動する。裏材の除去は、結晶が、非均一変位モードで振動することを可能にする。結晶のモード形状が高次であるほど、結晶は、より多くの波節線を有する。結晶の高次モード変位は、より多くの捕捉線を生成するが、捕捉線対波節の相関は、必ずしも、１対１ではなく、結晶をより高い周波数で駆動することは、必ずしも、より多くの捕捉線を産生しないであろう。図８−９Ｄに関する以下の議論を参照されたい。

いくつかの実施形態では、結晶は、結晶のＱ係数（Ｑ−ｆａｃｔｏｒ）に最小限の影響を及ぼす（例えば、５％未満）裏材を有し得る。裏材は、バルサ材、発泡体、またはコルク等の実質的に音響的に透明な材料から作製され得、それらは、結晶が高次モード形状で振動することを可能にし、高Ｑ係数を維持する一方、依然として、結晶のためのある程度の機械的支持を提供する。裏材は、固体であり得るか、または層を通る孔を有する格子であり得、格子は、特定の高次振動モードにおいて振動結晶の波節に追従し、波節場所に支持を提供する一方、結晶の残りが自由に振動することを可能にする。格子細工または音響的に透明材料の目標は、結晶のＱ係数を低下させずに、または特定のモード形状の励起に干渉せずに、支持を提供することである。

結晶を流体と直接接触させることも、エポキシ層および摩耗板の減衰およびエネルギー吸収効果を回避することによって、高Ｑ係数に寄与する。他の実施形態は、摩耗板または摩耗表面を有し、鉛を含むＰＺＴがホスト流体に接触することを防止し得る。これは、例えば、血液分離等の生物学的用途において望ましくあり得る。そのような用途は、クロム、電解ニッケル、または無電解ニッケル等の摩耗層を使用し得る。化学蒸着も、ポリ（ｐ−キシリレン）（例えば、パリレン）または他のポリマーの層を適用するために使用され得る。シリコーンまたはポリウレタン等の有機および生体適合性コーティングもまた、摩耗表面として使用可能である。ガラス状炭素摩耗層も、利用され得る。ガラス質炭素としても知られるガラス状炭素は、ガラスおよびセラミック特性の両方を黒鉛のものと組み合わせる難黒鉛化炭素である。最も重要な特性は、高温抵抗、硬度（７Ｍｏｈｓ）、低密度、低電気抵抗、低摩擦、および低熱抵抗である。ガラス状炭素は、化学攻撃に対する高度抵抗性も有し、ガスおよび液体に対して不浸透性である。

本開示では、各超音波変換器において使用される圧電結晶は、圧電要素の区画化されたアレイの形態であるように修正される。このアレイは、音響泳動のために使用され得る、多次元音響定在波または複数の波を形成するために使用される。

図４は、超音波変換器において使用される、モノリシックの一体型単一電極圧電結晶２００を示す。圧電結晶は、互いに実質的に等しい長さ２０３および幅２０５（例えば、約１インチ）を伴う、実質的に正方形形状を有する。結晶２００は、内側表面２０２を有し、結晶はまた、結晶の反対側に、通常、音響泳動デバイスを通して流動する流体にさらされる、外側表面２０４を有する。外側表面および内側表面は、比較的に面積が大きく、結晶は、比較的に薄い（例えば、２ＭＨｚ結晶に対して約０．０４０インチ）。

図５は、本開示の圧電結晶２００’を示す。この圧電結晶２００’の内側表面２０２は、複数の（すなわち、少なくとも２つの）圧電要素２０８を伴う圧電アレイ２０６に分割される。しかしながら、アレイは、依然として、単一結晶である。圧電要素２０８は、内側表面２０２内の１つ以上のチャネルもしくは切り溝２１０によって互いから分離される。チャネル（すなわち、圧電要素間の）幅は、約約０．００１インチ〜約０．０２インチであり得る。チャネルの深度は、約０．００１インチ〜約０．０２インチであることができる。いくつかの事例では、注封材料２１２（すなわち、エポキシ、Ｓｉｌ−Ｇｅｌ等）が、圧電要素間のチャネル２１０の中に挿入されることができる。注封材料２１２は、非伝導性であり、隣接する圧電要素２０８間の絶縁体としての役割を果たし、別個の圧電要素２０８を一緒に保持するようにも作用する。ここでは、アレイ２０６は、長方形４×４構成（正方形は、長方形の一部である）に配列される１６の圧電要素２０８を含む（但し、任意の数の圧電要素が可能である）。圧電要素２０８の各々は、互いに実質的に同一寸法を有する。全体的アレイ２００’は、図４に図示される単一結晶と同一長さ２０３および幅２０５を有する。

図６は、変換器２００’’の別の実施形態を示す。変換器２００’’は、図５の変換器２００’に実質的に類似するが、アレイ２０６は、５×５構成における２５の圧電要素２０８から形成される。再び、全体的アレイ２００’’は、図４に図示される単一結晶と同一長さ２０３および幅２０５を有する。

本開示の圧電アレイ内の各圧電要素は、各圧電要素が周波数および電力に関して個々に制御され得るように、個々の電気取り付け部（すなわち、電極）を有し得る。これらの要素は、共通接地電極を共有することができる。この構成は、多次元音響定在波の発生だけではなく、音響定在波の改良された制御も可能にする。

圧電アレイは、圧電結晶の表面を別個の要素に分割するように１つの表面を横断して切れ目を作製することによって、モノリシック圧電結晶から形成されることができる。表面の切断は、材料を表面から除去し、したがって、形成されるチャネル／溝間の圧電結晶の個別の要素を残すように、鋸、エンドミル、または他の手段の使用を通して行われ得る。

前述のように、注封材料が、複合材を形成するように、要素間のチャネル／溝の中に組み込まれ得る。例えば、注封材料は、エポキシ等のポリマーであることができる。特定の実施形態では、圧電要素２０８は、互いから個々に物理的に隔離される。この構造は、チャネル２１０を注封材料で充填し、次いで、チャネルまで外側表面２０４を切断、研磨、または研削することによって得られることができる。その結果、圧電要素は、注封材料を通して互いに接合され、各要素は、アレイの個々の構成要素である。換言すると、各圧電要素は、注封材料によって、周囲の圧電要素から物理的に分離される。図２１は、これらの２つの実施形態を比較する、断面図である。上には、図５に図示されるような結晶が、示される。結晶は、内側表面２０２上で４つの別個の圧電要素２０８に切り溝が付けられるが、４つの要素は、共通外側表面２０４を共有する。下では、４つの圧電要素２０８が、注封材料２１２によって互いから物理的に隔離される。共通表面は、４つの要素間で共有されない。

本システムでは、システムは、粒子が、超音波定在波内に捕捉される（すなわち、定常位置にとどまる）ような電圧で動作させられる。粒子は、波長の半分だけ分離された明確に画定された捕捉線に沿って収集される。各波節平面内において、粒子は、最小音響放射電位において捕捉される。音響放射力の軸方向成分は、正の対比因子を伴う粒子を圧力波節平面に駆動する一方、負の対比因子を伴う粒子は、圧力波腹平面に駆動される。音響放射力の半径方向成分または横成分は、粒子を捕捉する力である。典型的変換器を使用するシステムでは、音響放射力の半径方向成分または横成分は、典型的には、音響放射力の軸方向成分より数桁小さい。しかしながら、本開示のデバイスにおける横力は、かなり大きく、軸力成分と同一規模であり得、最大１ｃｍ／秒の線形速度の流体抗力を克服するために十分に大きい。前述のように、横力は、結晶が、事実上、均一変位を有するピストンとして移動する振動の形態とは対照的に、変換器を高次モード形状で駆動することによって増加させられることができる。音響圧力は、変換器の駆動電圧に比例する。電力は、電圧の２乗に比例する。

動作中、本開示の圧電アレイは、圧電要素が互いに同相であるように、駆動されることができる。言い換えると、各圧電要素は、同一周波数を有し、時間シフトがない多次元音響定在波を生成する。他の実施形態では、圧電要素は、互いに位相がずれることができ、すなわち、異なる周波数または時間シフトが存在するか、もしくは異なる位相角を有する。以下にさらに説明されるように、より具体的実施形態では、アレイ内の要素は、９０°の倍数（すなわち、９０°および／または１８０°）だけ位相がずれた群または組内に配列される。

実施形態では、変換器を駆動するパルス状電圧信号は、正弦、方形、鋸歯、または三角形波形を有し、５００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数を有することができる。パルス状電圧信号は、任意の所望の波形を産生するパルス幅変調を用いて駆動されることができる。パルス状電圧信号はまた、流れを排除するための振幅または周波数変調開始／停止能力を有することができる。

図７は、粒子半径に伴う音響放射力、流体抗力、および浮力のスケーリングを示す両対数グラフ（対数ｙ軸、対数ｘ軸）である。計算は、実験において使用される典型的ＳＡＥ−３０油滴に対して行われている。浮力は、粒子体積依存力であり、したがって、約ミクロンの粒径に対して無視可能であるが、約数百ミクロンの粒径に対して、大きくなり、有意となる。流体抗力は、流体速度に伴って線形に変化し、したがって、典型的には、ミクロンサイズの粒子に関する浮力を超えるが、約数百ミクロンのより大きいサイズの粒子に対して無視可能である。音響放射力スケーリングは、異なる。粒径が小さいとき、Ｇｏｒ’ｋｏｖの方程式は、正確であり、音響捕捉力は、粒子の体積に伴って変化する。最終的に、粒径が大きくなると、音響放射力は、もはや粒子半径の３乗に伴って増加せず、ある臨界粒径で速やかに消失するであろう。粒径のさらなる増加に対して、放射力は、再び、大きさにおいて増加するが、逆位相（グラフには図示せず）を伴う。このパターンは、粒径の増加に対して繰り返される。

最初に、懸濁液が、主に、小さいミクロンサイズの粒子とともにシステムを通して流動しているとき、粒子が定在波中に捕捉されるために、音響放射力は、流体抗力および浮力の組み合わせられた影響と釣り合うことが必要である。図７では、これは、Ｒ_ｃ１と標識された約３．５ミクロンの粒径に対して起こる。グラフは、次いで、全てのより大きい粒子も同様に捕捉されるであろうことを示す。したがって、小さい粒子が、定在波中に捕捉されると、粒子融合／集塊／凝集／凝塊が生じ、効果的粒径の連続成長をもたらす。粒径が成長するにつれて、音響放射力は、粒子に反射し、その結果、大きい粒子が音響放射力に減少させるであろう。粒径成長は、第２の臨界粒径Ｒ_ｃ２によって示される、浮力が支配的になるまで継続し、そのサイズにおいて、粒子は、ホスト流体に対するその相対的密度に応じて、上昇または沈下するであろう。粒子が上昇または沈下するにつれて、それらはもはや音響放射力を反射しなくなり、音響放射力が、次いで、増加する。全ての粒子が離脱するわけではなく、それらの残りの粒子は、同様に、サイズが成長し続けるであろう。この現象は、サイズＲ_ｃ２を超える音響放射力における急降下および上昇を説明する。したがって、図７は、小さい粒子が、どのように定在波中に継続的に捕捉され、より大きい粒子または集塊に凝集し、重力分離に起因して、多次元音響定在波から継続的に落下し得るかを説明する。

変換器のサイズ、形状、および厚さは、異なる励起周波数における変換器変位を決定し、これは、ひいては、油分離効率に影響を及ぼす。典型的には、変換器は、厚み共振周波数（半波長）近傍の周波数で動作させられる。変換器変位における勾配は、典型的には、油が捕捉されるためのより多くの場所をもたらす。より高次のモード変位は、全方向において音響場に強い勾配を伴う３次元音響定在波を発生させ、それによって、複数の捕捉線につながる、等しく強い音響放射力を全方向に生成する（捕捉線の数は、変換器の特定のモード形状と相関する）。

図８は、２．２ＭＨｚ変換器共振の近傍における周波数の関数として測定される１インチの正方形ＰＺＴ−８２−ＭＨｚ変換器の電気インピーダンス振幅を示す。変換器電気インピーダンスにおける最小値は、水カラムの音響共振に対応し、動作のための潜在的周波数を表す。数値モデル化は、変換器変位プロファイルがこれらの音響共振周波数において有意に変動し、それによって、音響定在波および結果として生じる捕捉力に直接影響を及ぼすことを示した。変換器は、その厚み共振近傍で動作するので、複数の電極表面の変位は、本質的に、位相がずれる。変換器電極の典型的変位は、均一ではなく、励起の周波数に応じて変動する。実施例として、捕捉される油滴の単一線を伴うある励起周波数では、変位は、電極の中央に単一の最大値を有し、変換器縁近傍に最小値を有する。別の励起周波数では、変換器プロファイルは、油滴の複数の捕捉線につながる、複数の最大値を有する。高次変換器変位パターンは、捕集される油滴のためのより高い捕捉力および複数の安定した捕捉線をもたらす。

音響捕捉力および油分離効率に及ぼす変換器変位プロファイルの影響を調査するために、励起周波数を除く全て条件が同じ実験が、１０回繰り返された。図８上の円形数字１−９および文字Ａによって示される１０個の連続音響共振周波数は、励起周波数として使用された。インピーダンスにおけるこれらの振動は、音響泳動システムの共振に対応する。音響泳動システムの長さが２インチの場合、振動は、約１５ｋＨｚ間隔を置かれる。条件は、実験持続時間３０分、１０００ｐｐｍ油濃度の約５ミクロンＳＡＥ−３０油滴、流量５００ｍｌ／分、および１インチ幅×２インチ長さ断面において印加電力２０Ｗであった。

乳濁液が変換器によって通されるにつれて、油滴の捕捉線が、観察および特徴づけされた。特徴づけは、図９Ａに示されるように、図８に識別される１０個の共振周波数のうちの７つに対する、流体チャネルにわたる捕捉線の数の観察およびパターン化を伴った。

図９Ｂは、捕捉線場所が決定されているシステムの等角図を示す。図９Ｃは、矢印１１４に沿って入口を見下ろすときに現れるシステムの図である。図９Ｄは、矢印１１６に沿って変換器面を直接見るときに現れるシステムの図である。図９Ｂ−９Ｄに示される捕捉線は、図８および図９Ａにおける周波数４において産生されたものである。

励起周波数の効果は、捕捉線の数を明確に決定し、これは、音響共振５および９の励起周波数における単一捕捉線から、音響共振周波数４に対する９つの捕捉線まで変動する。他の励起周波数では、４つまたは５つの捕捉線が、観察される。変換器の異なる変位プロファイルは、定在波中の異なる（より多くの）捕捉線を産生し、変位プロファイルにおけるより多くの勾配が、概して、より高い捕捉力およびより多くの捕捉線を生成することができる。

表１は、図１０Ａに類似したシステムを使用した油捕捉実験からの所見を要約する。重要な結論は、音響分離器の油分離効率が変換器のモード形状に直接関連することである。より高次の変位プロファイルは、より大きい音響捕捉力およびより多くの捕捉線を発生させ、より優れた効率をもたらす。スケーリング研究に有用である第２の結論は、５００ｍｌ／分における５ミクロン油滴の捕捉が、１インチの音響ビームスパンにつき変換器面積平方インチあたり１０ワットの電力を要求することが試験によって示されたことである。主な消散は、音響定在波のバルク体積中の熱粘性吸収の消散である。この流量に関連付けられたエネルギーのコストは、立方メートルあたり０．５００ｋＷｈである。

ホスト流体を浮揚性流体または微粒子から分離するための４インチ×２．５インチ流動断面積中間スケール装置１２４が、図１０Ａに示される。音響経路長さは、４インチである。装置は、ここでは、流動方向が下向きである向きに示され、それは、低密度粒子をホスト流体から分離するために使用される。しかしながら、装置は、本質的に、逆さまにされ、ホスト流体より重い粒子の分離を可能にし得る。上向き方向における浮力の代わりに、重力に起因する凝塊粒子の重量が、それらを下向きに引っ張る。本実施形態は、流体が垂直に流動する向きを有するように描写されることに留意されたい。しかしながら、流体流動は、水平方向またはある角度にあり得ることも考えられる。

粒子含有流体が、環状プレナム１３１の中への入口１２６を通して装置に進入する。環状プレナムは、環状内径および環状外径を有する。用語「環状」は、ここでは、２つの形状間のエリアを指すために使用され、プレナムは、円形である必要はないことに留意されたい。２つの入口がこの例証で見えるが、任意の数の入口が所望に応じて提供され得ることが考えられる。特定の実施形態では、４つの入口が、使用される。入口は、半径方向に対向して向けられる。

曲線を付けて作られたノズル壁１２９は、壁領域近傍でより速い速度を発生させて、乱流を減少させ、流体速度プロファイルが発達するにつれて、略プラグ流動を産生する（すなわち、流体は、円周方向運動成分を殆どまたは全く伴わずに、低流動乱流を伴って、中心線の方向に下向きに加速される）様式で流路の外径を減少させる。これは、音響分離および粒子収集のために最適であるチャンバ流動プロファイルを発生させる。流体は、接続ダクト１２７を通り、流動／分離チャンバ１２８の中に入る。図１０Ｂにおける拡大された曲線を付けて作られたノズル１２９に見られるように、ノズル壁はまた、半径方向運動成分を懸濁された粒子に追加し、粒子を装置の中心線のより近くに移動させ、上昇する浮揚性凝塊粒子とのより多くの衝突を発生させる。この半径方向運動は、分離チャンバへの到達に先立って、接続ダクト１２７内の流体からの粒子の最適擦り落としを可能にするであろう。曲線を付けて作られたノズル壁１２９は、大規模な渦を収集ダクト１３３の入口で発生させ、粒子収集も向上させる様式で流体を方向づける。概して、デバイス１２４の流動面積は、環状プレナム１３１から分離チャンバ１２８まで連続的に減少し、より良好な粒子分離、凝塊、および収集のための低乱流および渦流形成を保証するように設計される。ノズル壁は、広い端部および狭い端部を有する。用語「擦り落とし」は、より大きい粒子／液滴が流体流動と反対の方向に進行し、より小さい粒子と衝突し、事実上、より小さい粒子を懸濁液から擦り落とすときに生じる、粒子／液滴凝塊、凝集、集塊、または合体のプロセスを説明するために使用される。

図１０Ａに戻ると、流動／分離チャンバ１２８は、チャンバの両側に変換器アレイ１３０と反射体１３２とを含む。使用時、多次元定在波１３４が、変換器アレイ１３０と反射体１３２との間に生成される。これらの定在波は、粒子を凝塊するために使用されることができ、この向きは、浮揚性である粒子（例えば、油）を凝塊するために使用される。残留粒子を含む流体は、次いで、流動出口１３５を通って出て行く。

浮揚性粒子は、凝塊するにつれて、最終的に、流体流動抗力および音響放射力の組み合わせられた影響を克服し、その浮力１３６は、浮揚性粒子に上向きに上昇させるために十分に大きい。この点において、収集ダクト１３３は、環状プレナム１３１によって包囲される。より大きい粒子は、このダクトを通り収集チャンバ１４０の中に入るであろう。この収集チャンバはまた、出口ダクトの一部であることができる。収集ダクトおよび流動出口は、装置の反対端にある。

分離チャンバ１２８内に形成された浮揚性粒子は、その後、接続ダクト１２７およびノズル壁１２９を通過することに留意されたい。これは、ノズル壁によって及ぼされる内向き半径方向運動に起因して、環状プレナムからの流入流動に上昇凝塊粒子を越えて流動させる。

本開示の変換器設定は、流体流動に垂直な定在波を含む３次元圧力場を生成する。圧力勾配は、波方向における音響泳動力と同一規模である定在波方向に直交する音響泳動力（すなわち、音響泳動力は、流体流動方向と平行である）を発生させるために十分な大きさである。これは、従来のデバイスにおける単に粒子を収集平面に捕捉することとは対照的に、流動チャンバ内に、良好に画定された捕捉線に沿って、向上した粒子捕捉、集塊、および収集を可能にする。粒子は、定在波の波節または波腹に移動するためにかなりの時間を有し、粒子が、集中、凝塊、および／または合体し、次いで、浮力／重力分離することができる領域を発生させる。

いくつかの実施形態では、流体流動は最大１５００のレイノルズ数を有し、すなわち、層流動が生じている。産業における実践的用途に対して、レイノルズ数は、システムを通した流動のために、通常、１０〜１５００である。流体運動に対する粒子移動は、１．０をはるかに下回るレイノルズ数を発生させる。レイノルズ数は、所与の流動場における粘性効果に対する慣性流動効果の比率を表す。１．０を下回るレイノルズ数に対して、粘性力が、流動場で支配的である。これは、有意な減衰をもたらし、剪断力が流動全体を通して卓越する。粘性力が支配的であるこの流動は、ストークス流と呼ばれる。糖蜜の流動は、一例である。壁に曲線をつけることおよび流線形にすることは、そのような条件下では、ほとんど重要ではない。これは、非常に粘性の流体の流動、またはＭＥＭＳデバイスのような非常に狭い通路内の流動に関連付けられる。入口に曲線をつけることは、あまり重要ではない。音響泳動粒子分離器内の流体に対する粒子の流動は、粒子直径および粒子と流体との間の相対的速度の両方が非常に小さいので、ストークス流となるであろう。一方、システムを通る流動に対するレイノルズ数は、流体速度および入口直径がはるかに大きいので、１．０をはるかに上回るであろう。

１．０をはるかに上回るレイノルズ数に対して、粘性力は、流動が表面に接触する場所でのみ支配的である。表面近傍のこの粘性領域は、境界層と呼ばれ、Ｌｕｄｗｉｇ Ｐｒａｎｄｔｌによって最初に認識された。ダクト流動では、流動は、レイノルズ数がダクト内で完全に発達した流動に対して１．０を有意に上回り、２３００を下回る場合、層状であろう。壁における壁剪断応力は、距離に伴って流れの中に拡散するであろう。ダクトの入口では、流動速度は、均一から開始する。流動がダクトを辿って移動するにつれて、壁粘性力の影響は、中心線に向かって内向きに拡散し、放物線速度プロファイルを発生させるであろう。この放物線プロファイルは、平均速度の２倍であるピーク値を有するであろう。放物線プロファイルが発達するために要求される長さは、レイノルズ数の関数である。ＣＨＯ動作に典型的である２０のレイノルズ数に対して、発達長さは、１．２ダクト直径であろう。したがって、完全に発達した流動は、非常に迅速に起こる。中心におけるこのピーク速度は、音響粒子分離に有害であり得る。さらに、層流レイノルズ数では、乱流が生じ得、流動表面に曲線を付けることは、流動を制御することにおいて非常に重要である。これらの理由から、分離器は、環状入口プレナムおよびコレクタ管とともに設計された。

大型環状プレナムの後には、図１０Ｂに示されるように、流体を加速し、中心線に向かって内向きに方向づける入口壁ノズルが続く。壁曲線は、プロファイルに大きな影響を及ぼすであろう。面積収束は、流動平均速度を増加させるが、速度プロファイルを決定するのは、壁曲線である。ノズル壁曲線は、流線型であり、分離器内に小曲率半径を伴って設計される。

変換器は、定在波に直交する方向および定在波方向の両方に同一規模の力を発生させる、圧力場を生成するために使用される。力がほぼ同一規模であるとき、サイズ０．１ミクロン〜３００ミクロンの粒子は、凝塊領域（「捕捉線」）に向かってより効果的に移動せらされるであろう。直交音響泳動力成分における等しく大きい勾配のために、変換器１３０と反射体１３２との間に、定在波方向において規則的場所に位置しない「ホットスポット」または粒子収集領域が存在する。ホットスポットは、音響放射電位の最小値に位置する。そのようなホットスポットスポットは、粒子収集場所を表す。

音響泳動デバイスの用途の１つは、タンパク質を産生する生物学的細胞からの生物学的治療用タンパク質の分離である。この点において、現在の分離方法は、濾過または遠心分離を要求し、それらのいずれもが、細胞を損傷させ、タンパク質破片および酵素を精製プロセスの中に放出させ、精製システムの下流部分における負担を増加させ得る。より高い細胞密度を有する体積を処理可能であることが望ましい。これは、より大量の治療用タンパク質の収集およびより優れたコスト効率を可能にするからである。

図１１Ａおよび図１１Ｂは、音響泳動分離器の種々の部分を示す分解図である。図１１Ａは、１つのみの分離チャンバを有する一方、図１１Ｂは、２つの分離チャンバを有する。

図１１Ａを参照すると、流体は、４ポート入口１９１を通して分離器１９０に進入する。環状プレナムも、ここで見えている。遷移部品１９２が、分離チャンバ１９３を通してプラグ流を生成するために提供される。この遷移部品は、湾曲形状を有する、図１０Ａにおいて前述のもののような曲線を付けて作られたノズル壁を含む。変換器４０および反射体１９４は、分離チャンバの反対壁上に位置する。流体は、次いで、出口１９５を通って分離チャンバ１９３および分離器から出る。分離チャンバは、長方形形状の流路幾何学形状を有する。

図１１Ｂは、２つの分離チャンバ１９３を有する。システム結合器１９６が、それらを一緒に接合するために、２つのチャンバ１９３間に設置される。

音響泳動分離が、異なるチャイニーズハムスターの卵巣（ＣＨＯ）細胞株において試験された。ある実験では、開始細胞密度８．０９×１０^６細胞／ｍＬ、濁度１，２３２ＮＴＵ、および細胞生存率約７５％を伴う溶液が、図１１Ａに描写されるようなシステムを使用して分離された。変換器は、２ＭＨｚ結晶であり、約２．２３ＭＨｚで起動され、２４−２８ワットを引き込んだ。流量２５ｍＬ／分が、使用された。この実験の結果は、図１２Ａに示される。

別の実験では、開始細胞密度８．０９×１０^６細胞／ｍＬ、濁度１，２３２ＮＴＵ、および細胞生存率約７５％を伴う溶液が、分離された。このＣＨＯ細胞株は、２峰性粒径分布（サイズ１２μｍおよび２０μｍ）を有した。結果は、図１２Ｂに示される。

図１２Ａおよび図１２Ｂは、Ｂｅｃｋｍａｎ Ｃｏｕｌｔｅｒ Ｃｅｌｌ Ｖｉａｂｉｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｚｅｒによって産生された。他の試験は、周波数１ＭＨｚおよび３ＭＨｚが、細胞を流体から分離することにおいて、２ＭＨｚほど効率的ではないことを明らかにした。

流量１０Ｌ／時における他の試験では、９９％の細胞が、捕集され、９９％を上回る細胞生存率が確認された。流量５０ｍＬ／分（すなわち、３Ｌ／時）における他の試験は、生存率約１００％を伴って、かつ殆どまたは全く温度上昇を伴わずに、最終細胞密度３×１０^６細胞／ｍＬを得た。さらに他の試験では、濁度の９５％の低減が、流量６Ｌ／時において得られた。

図１０Ａ−１０Ｂに示されるスケールユニット（ｓｃａｌｅｄ ｕｎｉｔ）に対する試験は、生物学的用途のためのＣＨＯの模擬物質として酵母を使用して行われた。これらの試験に対して、流量１５Ｌ／時において、種々の周波数が、電力レベルとともに試験された。表２は、試験の結果を示す。

生物学的用途では、多くの部分、例えば、筐体へおよびそこからつながる管類、入口、出口プレナム、および入口プレナムは全て、使い捨てであり得、変換器および反射体のみ、再使用のために洗浄される。遠心分離機およびフィルタの回避は、細胞の生存率を低下させずに、ＣＨＯ細胞のより良好な分離を可能にする。音響泳動分離器の形状因子もまた、フィルタ処理システムより小さく、ＣＨＯ分離を小型化することを可能にする。変換器はまた、急速圧力変化を生成し、ＣＨＯ細胞の凝塊に起因する、妨害物を防止または除去するように駆動され得る。変換器の周波数もまた、所与の電力のために最適有効性を得るように変動させられ得る。

以下の実施例は、本開示の装置、構成要素、および方法を例証するために提供される。実施例は、単なる例証であり、本開示をその中に記載される材料、条件、またはプロセスパラメータに限定することを意図するものではない。
（実施例）

２次元数値モデルが、ＣＯＭＳＯＬシミュレーションソフトウェアを使用して、音響泳動デバイスのために開発された。モデルは、図１３に図示される。デバイスは、アルミニウム壁２２２と、壁と反対のステンレス鋼反射体２２４とを含んでいた。壁内には、圧電変換器２３０が埋め込まれた。ここに図示されるように、変換器は、４要素圧電アレイの形態である。壁２２２および反射体２２４は、流動チャンバを画定し、矢印２２５は、チャンバを通る流体の流動方向を示す。圧電変換器は、流体と直接接触していた。チャネル／切り溝２１０および注封材料２１２もまた、図示されるが、注封材料は、シミュレーションでは使用されなかった。

シミュレーションソフトウェアが起動され、その出力は、公開されているデータ（Ｂａｒｍａｔｚ，Ｊ． Ａｃｏｕｓｔ． Ｓｏｃ． Ａｍ．７７，９２８，１９８５）と比較された。図１４Ａは、音響電位Ｕを比較する。図１４Ｂは、音響放射力（ＡＲＦ）のｘ成分を比較する。図１４Ｃは、ＡＲＦのｙ成分を比較する。図１４Ｄは、ＡＲＦの絶対値を比較する。これらの図では、公開されているデータは、上にある一方、数値モデル結果は、下にある。ここから分かるように、数値モデルの結果は、公開されているデータと一致し、数値モデルおよびそこから行われる後続計算を確認する。

３つの異なるシミュレーションが、次いで、３つの異なる圧電変換器、すなわち、１要素変換器（すなわち、単一結晶）、４要素変換器、および５要素変換器を使用して、水からのＳＡＥ３０油滴の分離をモデル化するために起動された。変換器は、同一周波数で動作させられ、以下のパラメータが、油および水のために使用された。油粒子半径（Ｒ_Ｐ）＝１０μｍ；油密度（ρ_ｐ）＝８６５ｋｇ／ｍ^３；油中の音速（ｃ_ｐ）＝１７５０ｍ／秒；粒子速度（μ_ｆ）＝０．００１ｋｇ／ｍ・秒；水密度（ρ_ｆ）＝１０００ｋｇ／ｍ^３；および水中の音速（ｃ_ｆ）＝１５００ｍ／秒。

４要素変換器に対して、各チャネルは、幅０．０１５６インチおよび深度０．０１００インチを有し、各要素は、幅０．２３８３インチを有していた（変換器の総幅は、１インチであった）。５要素変換器に対して、各チャネルは、幅０．０１５６インチおよび深度０．０１００インチを有し、各要素は、幅０．１８７５インチを有していた。

図１５は、ＰＺＴ結晶２００の２次元表現であり、１要素変換器を使用した粒子に対する力のシミュレーションを示す。図１６は、ＰＺＴ結晶２００’の２次元表現であり、４要素変換器を使用した粒子に対する力のシミュレーションを示す。図１７は、ＰＺＴ結晶２００’’の２次元表現であり、５要素変換器を使用した粒子に対する力のシミュレーションを示す。各変換器は、要素の数にかかわらず、同一幅を有していた。そこから発生させられる多次元音響定在波の振幅が、明確に見られる（より明るいエリアは、より暗いエリアより高い振幅である）。

次に、シミュレーションが、４要素アレイ上で起動され、波に及ぼす位相の影響を比較した。流量は、５００ｍＬ／分であり、流体のレイノルズ数は、２２０であり、要素あたりの入力電圧は、２．５ＶＤＣであり、要素あたりのＤＣ電力は、１ワットであった。あるシミュレーションでは、４つの要素は、互いに対して０−１８０−０−１８０位相にあった（すなわち、位相がずれている）。別のシミュレーションでは、４つの要素は全て、互いに同相であった。シミュレーションは、次いで、図１８におけるような４×４圧電アレイを有する変換器デバイスを用いて行われた実際の実験と比較された。

図１９は、位相がずれたシミュレーションの結果（左）と、位相がずれたアレイが図１８の変換器デバイス内で使用されときの実際の結果を示す写真（右）を比較する。結果は、非常に類似する。振幅がシミュレーションにおいて高い場合、捕捉された粒子が、実際の写真において見られる。

図２０は、同相シミュレーションの結果（左）と、同相アレイが図１８の変換器デバイス内で使用されたときの実際の結果を示す写真（右）を比較する。結果は、非常に類似する。

追加の数値モデルが、直径２０ミクロンの油滴に対して、周波数掃引２．１９ＭＨｚ〜２．２５ＭＨｚにわたって、以下の表３に説明されるような異なる配列における同相または位相がずれたもののいずれかで４要素変換器および５要素変換器を用いて行われた。「位相がずれた」とは、隣接する要素が異なる位相で励起されることを意味する。

図２２は、４要素アレイに対してシミュレートされた２つの位相がずれたモードを図示する略図である。左側は、０−１８０−０−１８０モードを図示する一方、右側は、０−１８０−１８０−０モードを図示している。図２３は、５要素アレイに対してシミュレートされた４つの位相がずれたモードを図示する略図である。左上の写真は、０−１８０−０−１８０−０モードを図示する。右上の写真は、０−０−１８０−０−０モードを図示する。左下の写真は、０−１８０−１８０−１８０−０モードを図示する。右下の写真は、０−９０−１８０−９０−０モードを図示する。

音響放射力の横（ｘ軸）力成分と軸（ｙ軸）力成分の比率が、この周波数範囲にわたって決定され、その比率の範囲は、以下の表３に列挙される。

図２４は、単一圧電結晶シミュレーションからの正規化された音響放射力（ＡＲＦ）を示す。ＡＲＦ値は、測定された電圧および電流を用いて計算される実際の電力を用いて正規化された。図２５は、試験された周波数範囲にわたる単一圧電結晶シミュレーションに対するＡＲＦ成分の比率（軸方向に対する横方向）を示す。図２６は、５要素シミュレーションからの正規化された音響放射力（ＡＲＦ）を示す。図２７は、試験された周波数範囲にわたる５要素シミュレーションに対するＡＲＦ成分の比率（横対軸）を示す。図２４と図２６を比較すると、１要素シミュレーションに対するピークＡＲＦは、約６ｅ−１１である一方、５要素シミュレーションに対するピークＡＲＦは、約２ｅ−９である。図２５と図２７を比較すると、力の比率もまた、約０．４０と比較して、約０．６０の変動を伴って、より一貫する。

概して、４要素および５要素アレイは、０．９を上回るいくつかを含め、高比率を産生した。シミュレーションのうちのいくつかはまた、１要素変換器によって産生されたもの（基準値としての役割を果たした）より約２桁高い、音響放射力振幅を有していた。

実験用１６要素アレイおよび２５要素アレイが、次いで、試験された。供給液は、３％の圧密化された細胞量酵母溶液であり、生物学的用途のためのＣＨＯ細胞の模擬物質として使用された。位相がずれた試験に対して、０°および１８０°位相の格子縞パターンが、使用された。２５要素アレイに対して、１２の要素が、１８０°で使用され、１３要素が、０°で使用された。これらの格子縞パターンは、図２８に図示される。左側は、１６要素アレイであり、右側は、２５要素アレイであり、異なる陰影は、異なる位相角を示す。

供給液、濃縮液、および透過液の濁度が、種々の周波数において３０分後に測定された。濃縮液は、一部の流体とともに濃縮された酵母を含む、デバイスから出た部分である。透過液は、大部分が液体である、デバイスから出たフィルタ処理された部分であり、はるかに低い酵母濃度を伴う。より低い濁度は、より低い量の酵母を示した。捕集効率は、（供給液−透過液）／供給液×１００％として決定された。供給率は、３０ｍＬ／分であり、濃縮液流量は、５ｍＬ／分であった。変換器への電力は、８Ｗに設定された。

表４は、基準値または対照として使用される、単一要素変換器に対する結果を列挙する。

表５は、１６要素の同相実験に対する結果を列挙する。

表６は、１６要素の位相がずれた実験に対する結果を列挙する。

１６要素アレイ結果を互いにおよび対照と比較すると、同相アレイは、周波数範囲を通して高捕集効率を維持する一方、位相がずれたアレイは、約２．２４ＭＨｚで急降下する。効率結果は、大部分の同相試験に対して、対照に非常に類似する。同相効率は、全周波数において位相がずれた効率より高かった。

表７は、２５要素の同相実験に対する結果を列挙する。

表８は、２５要素の位相がずれた実験に対する結果を列挙する。

２５要素アレイ結果を互いにおよび対照と比較すると、両アレイは、対照より効率的ではない。２５要素の同相アレイは、約９５％でピークに達し、次いで、両方向において降下する。位相がずれたアレイは、約８５％効率でピークに達し、急降下する。効率結果は、対照と非常に類似する。数値モデルを使用して見出された高ピーク振幅は、実験的に試験されていないことに留意されたい。

本開示は、例示的実施形態を参照して説明された。前述の発明を実施するための形態の熟読および理解に応じて、修正ならびに改変が、想起されることは明白であろう。本開示は、添付の請求項またはその均等物の範囲内にある限りにおいて、全てのそのような修正および改変を含むものと解釈されることが意図される。

Claims (20)

1. 第２の流体または微粒子をホスト流体から分離するための装置であって、
   少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を有する流動チャンバと、
   前記流動チャンバの壁上に位置している少なくとも１つの超音波変換器であって、前記超音波変換器は、複数の圧電要素から形成されている圧電アレイを含み、前記圧電要素は、前記流動チャンバ内に多次元音響定在波を生成するための電圧信号によって駆動されることが可能である、変換器と、
   前記流動チャンバの前記少なくとも１つの超音波変換器から反対側の前記壁上に位置している少なくとも１つの反射体と
   を備えている、装置。
2. 前記圧電アレイは、単一結晶上に存在し、１つ以上のチャネルが、前記圧電要素を互いから分離している、請求項１に記載の装置。
3. 前記圧電材料と異なる注封材料が、前記１つ以上のチャネル内に存在する、請求項２に記載の装置。
4. 前記注封材料は、エポキシである、請求項３に記載の装置。
5. 各圧電要素は、注封材料によって周囲の圧電要素から物理的に分離されている、請求項１に記載の装置。
6. 前記圧電アレイは、長方形アレイである、請求項１に記載の装置。
7. 各圧電要素は、同一寸法を有する、請求項１に記載の装置。
8. 各圧電要素は、それ自身の対の電極に個々に接続されている、請求項１に記載の装置。
9. 曲線を付けて作られたノズル壁が、前記流動チャンバの少なくとも１つの入口の上流に位置している、請求項１に記載の装置。
10. 第２の流体または微粒子をホスト流体から分離する方法であって、
    前記ホスト流体および前記第２の流体または微粒子の混合物を装置を通して流動させることであって、前記装置は、
    少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を有する流動チャンバと、
    前記流動チャンバの壁上に位置している少なくとも１つの超音波変換器であって、前記超音波変換器は、複数の圧電要素から形成されている圧電アレイを含み、前記圧電要素は、前記流動チャンバ内に多次元定在波を生成するための電圧信号によって駆動されることが可能である、変換器と、
    前記流動チャンバの前記少なくとも１つの超音波変換器から反対側の前記壁上に位置している少なくとも１つの反射体と
    を備えている、ことと、
    電圧信号を前記圧電アレイに送信し、多次元音響定在波を形成することと
    を含み、
    前記多次元音響定在波は、前記第２の流体または微粒子を前記流体の流動に逆らって捕捉し、圧力波節における凝集を可能にし、それによって、前記第２の流体または微粒子は、サイズにおいて増大し、重力分離を通して前記多次元音響定在波から継続的に落下する、方法。
11. 前記微粒子は、チャイニーズハムスターの卵巣（ＣＨＯ）細胞、ＮＳ０ハイブリドーマ細胞、ベビーハムスターの腎臓（ＢＨＫ）細胞、またはヒト細胞である、請求項１０に記載の方法。
12. 前記圧電要素は、互いに位相がずれるように動作させられる、請求項１０に記載の方法。
13. 前記圧電要素は、互いに同相であるように動作させられる、請求項１０に記載の方法。
14. 前記流動チャンバを通る前記ホスト流体の流量は、少なくとも２５ｍＬ／分である、請求項１０に記載の方法。
15. 前記圧電要素は、１００ｋＨｚ〜２０ＭＨｚの範囲内の周波数で動作する、請求項１０に記載の方法。
16. 前記多次元定在波は、同一規模の軸力成分および横力成分を有する音響放射力をもたらす、請求項１０に記載の方法。
17. 前記圧電アレイは、単一結晶上に存在し、１つ以上のチャネルが、前記圧電要素を互いから分離している、請求項１０に記載の方法。
18. 前記圧電材料と異なる注封材料が、前記１つ以上のチャネル内に存在する、請求項１７に記載の方法。
19. 各圧電要素は、注封材料によって周囲の圧電要素から物理的に分離されている、請求項１０に記載の方法。
20. 各圧電要素は、それ自身の対の電極に個々に接続されている、請求項１０に記載の方法。