JP3752862B2

JP3752862B2 - 遠心分離システム、及び遠心分離用ロータ、及びカウンターフロー遠心法用分離チャンバ

Info

Publication number: JP3752862B2
Application number: JP27208198A
Authority: JP
Inventors: かほる高橋; 和明秋元; 正隆森田
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 1998-09-25
Filing date: 1998-09-25
Publication date: 2006-03-08
Anticipated expiration: 2018-09-25
Also published as: JP2000093844A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カウンターフロー遠心法用分離チャンバに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
細胞生物学の研究では、多種類の細胞集団から単一の細胞集団を多量に、しかも高純度で採集することが、それぞれの細胞の生理学ならびに免疫学的な機能や生化学的特性を解析する上で重要である。単一の細胞集団を採取する方法の一つとして、遠心力と流れの力を利用して連続的に細胞を分離するカウンターフロー遠心法（以下ＣＣＥ法と称す）がある。
【０００３】
ＣＣＥ法について図２〜図５を用いて説明する。ＣＣＥ法は、試料に遠心力を付与するために高速回転するロータプレート５と、ロータプレート５の内部に設けられた試料を遠心分離する分離チャンバ７と、分離チャンバ７とロータ軸心対称位置に配され、分離チャンバ７とほぼ同形状のカウンタバランサ８と、分離チャンバ７に連続的に試料を注入する試料注入路１２と、分離チャンバ７から連続的に試料を排出する試料排出路１３と、試料注入路１２と試料排出路１３を内蔵するシャフト１０と、試料を分離チャンバ７に注入するためのポンプ１８から構成される機器と、ロータプレート５を高速回転させる遠心分離機（図示せず）と、分離されたサンプルをフラクションとして回収するためのプラスチック製等のフラクションの本数分のチューブ１９とから構成される。ロータプレート５は、透明な分離チャンバ７とカウンタバランサ８及びパイプ９、１１を保持した状態で遠心分離機のカップリング６上に載置し、この状態で遠心分離機のモータ（図示せず）による回転力を受けて高速回転する。このロータプレート５のロータ軸心対称位置には、ロータ軸心と平行に埋設された分離チャンバ受容部１４とカウンタバランサ受容部１５がそれぞれ分離チャンバ７とカウンタバランサ８をその内部に収納するために設けられている。また、分離チャンバ受容部１４とカウンタバランサ受容部１５との間には、パイプ受容部１６が設けられている。
【０００４】
ＣＣＥ法の装置は、回転している分離チャンバ内の試料に遠心力とこれと反対方向から与えた流れの力を作用させ、両者のつりあう位置が試料の大きさによって異なることを利用して分離するというものである。このため、常に遠心力と反対方向に流れの力を作用させなければならないため、ロータプレート５に対して常時外部から所定量の液体を注入させなければならない。従って、従来からこの種のシステムは、試料注入路１２と試料排出路１３を内臓するシャフト１０は、当然、非回転状態に保たなければ液体を連続的に注入及び排出することは困難であるため、回転状態にあるロータプレート５との接合部分には面シール方式を採用している。
【０００５】
ＣＣＥ法での細胞の分離ではまず、ロータプレート５内の分離チャンバ７に分離する試料に適した、例えば培地または試料と浸透圧の等しい液体２０を試料を含まない状態で分離チャンバ７内に一定の流量でポンプ１８を使って送り込みながら、該ロータプレート５を高速回転させる。そこに培地または試料と浸透圧の等しい液体に浮遊した試料を分離チャンバ７内に注入すると、分離チャンバ７内で試料は、その密度や大きさに応じて遠心力による沈降速度と流れの力がバランスする位置に静止する。つまり、大きさの大きい試料は半径方向の外側に、大きさの小さい試料は半径方向の内側に集まる。試料がそれぞれバランスしたこの状態から液体の流れの力を上げる、つまり流量を増やすか、回転数を落とすことにより、大きさの小さい試料から分離チャンバ７を流出し、順次フラクションとしてチューブ１９に回収され、大きさ別に分離される。
【０００６】
従来の技術によるＣＣＥ法用分離チャンバ７について図６を用いて説明する。分離チャンバ７内には、実際に分離が行われる適当な容積を持った分離室２２と、試料注入路１２と分離室２２をつなぐチャンバ内試料注入路２３と、試料排出路１３と分離室２２をつなぐチャンバ内試料排出路２４とが形成されている。分離室２２とチャンバ内試料注入路２３の接続部分はチャンバ入口２５、分離室２２とチャンバ内試料排出路２４の接続部は、チャンバ出口２６と呼ばれる。チャンバの回転軸方向幅２７およびチャンバの回転方向幅２８が最大になる位置の回転半径はほぼ等しく、この位置における断面を分離面２１と呼ぶ。チャンバ入口２５と分離面２１の間において、チャンバの回転方向幅２８がチャンバ内試料注入路２３の幅よりも大きく且つチャンバの回転軸方向幅２７が変化している部分が存在する。同じように、チャンバ出口２６と分離面２１の間において、チャンバの回転方向幅２８がチャンバ内試料排出路２４の幅よりも大きく且つチャンバの回転軸方向幅２７が変化している部分が存在する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の問題を図６を用いて説明する。従来のカウンターフロー遠心法用分離チャンバには、チャンバ入口と分離面との間において、チャンバの回転方向幅がチャンバ内試料注入路の幅の２倍より大きく且つチャンバの回転軸方向幅が変化している部分が存在する。同じようにチャンバ出口と分離面の間において、チャンバの回転方向幅がチャンバ内試料排出路の幅の２倍より大きく且つチャンバの回転軸方向幅が変化している部分が存在する。このような形状の分離チャンバ内の流れの様子を液体を適当に染色して観察方向（矢印２９）から観察すると、Ｚ型の流れを示す。このＺ型の流れは、多くの文献（例えば、P. C. Keng, C.K.N.Li, and K.T.Wheeler, CELL BIOPHYSICS 3, 41-56, 1981）で述べられていて、分離性能を低下させる原因の一つである。このＺ型の片寄った流れが生じると、その片寄った部分の流速が極端に速くなり、意図した細胞よりも大きな細胞や重い細胞が混ざってしまう。また、細胞導入時においては細胞がチャンバ内にとどまることができずに流出してしまう恐れがある。このＺ型の流れを抑制すれば分離性能を向上させることができるが、いままでその方法が見つからなかった。また、このＺ型の流れの原因が回転によることは確かだが、回転によるコリオリ力なのかどうかも判然としなかった。このように、分離性能を低下させるZ型の流れを今まで抑制することはできなかった。
【０００８】
本発明の目的は、上記問題を解消し、分離性能を低下させる原因である分離チャンバ内に生じるＺ型の流れを抑制し、真直ぐな流れを作ることができるため、細胞の固着を防止し且つ分離性能を向上させることができる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、チャンバ内試料注入路とチャンバ内試料排出路と分離室よりなるカウンターフロー遠心法用分離チャンバにおいて、分離室がチャンバ内試料注入路に接する側で、分離室の回転軸方向幅がその最大値の８０％以上拡大し且つ分離室の回転方向幅がその最大値の２０％以内で拡大することにより達成される。また、分離室がチャンバ内試料排出路に接する側において、分離室の回転軸方向幅がその最大値の８０％以上縮小し、且つ分離室の回転方向幅がその最大値の２０％以内で縮小することにより達成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本実施例におけるカウンターフロー遠心法用分離チャンバを示す。図７および図８に示される分離チャンバ内の流れの様子を数値計算し、Ｚ型の流れの原因究明を行った。図７において、チャンバの回転軸方向幅２７はチャンバ入口２５およびチャンバ出口２６付近においてチャンバ内試料注入路２３およびチャンバ内試料排出路２４の幅に等しく、分離面２１の付近で拡大および縮小している。また、チャンバの回転方向幅２８はチャンバ入口２５およびチャンバ出口２６において急激に拡大および縮小し、その他の部分では変化していない。このような形状の分離チャンバ７内の流れの様子を数値計算して求めた結果を観察方向２９から見ると、片寄った流れ３１を示す。この片寄った流れ３１はチャンバの回転軸方向幅２７が拡大および縮小している部分で大きく変化している。次に、図８において、チャンバの回転方向幅２８はチャンバ入口２５およびチャンバ出口２６付近においてチャンバ内試料注入路２３およびチャンバ内試料排出路２４の幅に等しく、分離面２１の付近で拡大および縮小している。また、チャンバの回転軸方向幅２７はチャンバ入口２５およびチャンバ出口２６において急激に拡大および縮小し、その他の部分では変化していない。すなわち、図８のチャンバは図７のチャンバをチャンバ入口とチャンバ出口を結ぶ直線のまわりに９０度回転させた形状である。この分離チャンバ７内の流れの様子を数値計算して求めた結果を観察方向２９から見ると、真直ぐな流れ３２を示す。以上の２つの計算結果からＺ型の流れ、すなわち流れが片寄るのはチャンバの回転軸方向幅が変化する部分であることが分る。したがって、Ｚ型の流れを抑制するためには、チャンバの回転軸方向幅を変化させなければよい。しかしながら、チャンバの回転軸方向の幅をチャンバ内試料注入路およびチャンバ内試料排出路の幅に等しくしたのではチャンバの容量が極端に減ってしまい、分離できる細胞の数も極端に減ってしまうため好ましくない。また、チャンバの回転軸方向幅を急激に拡大および縮小すれば、チャンバの回転軸方向幅が変化している部分がほとんどなくなるため、流れの片寄りを小さくすることができるが、流れのないカド部３３ができてしまい、その部分に細胞が固着してしまうため好ましくない。
【００１１】
そこで、上記課題を解決するための手段を図１を用いて説明する。分離チャンバ７の回転軸方向幅２７およびチャンバの回転方向幅２８を別々に２段階にわけて変化させることで上記課題を解決することができる。チャンバ入口２５から分離面２１に向かって、第１段階としてチャンバの回転軸方向幅２７だけをなだらかに変化させる。この間、チャンバの回転方向幅２８は変化させない。この部分で流れは片寄るが、その片寄りはたかだかチャンバ内試料注入路２３の幅である。第２段階としてチャンバの回転方向幅２８だけをなだらかに変化させる。この間、チャンバの回転軸方向幅２７は変化させない。一方、チャンバ出口２６側においては、これとは逆の順序で縮小する。この分離チャンバ７の流れの様子を数値計算して観察方向２９からみると、真直ぐな流れ３３が得られる。このような分離チャンバの形状にすることで真直ぐな流れを得ること、すなわち分離性能を向上させることができ、細胞の固着も防止することができる。さて、実際には分離チャンバを製作するときには、型成形などが用いられる。型成形の方法にもよるが、離型性を良くするために、ある程度ぬき勾配をつける必要がある。すなわち、上記のようにある部分ではチャンバの回転軸方向幅２７だけを変化させ、ある部分ではチャンバの回転方向幅２８だけを変化させる構造では離型性が悪くなる。したがって、ある程度勾配をつける必要があるが、勾配をつけると流れが片寄ってしまう。そのため、上記第１段階においては、すくなくともチャンバの回転軸方向幅２７をその最大幅の８０％以上まで拡大し、チャンバの回転方向幅２８はその最大幅の２０％以内まで拡大させ、上記第２段階においては、チャンバの回転軸方向幅２７をその最大幅の２０％以内で拡大させ、チャンバの回転方向幅２８をその最大幅の８０％以上まで変化させることで比較的真直ぐな流れを作りながら、製作上の問題も解決することができる。
【００１２】
また、上記手段ではチャンバ入口側とチャンバ出口側の両側を２段階に変化させたが、入口側だけでも分離性能を向上させる十分な効果を得ることができる場合もある。なぜならば、分離面を通り過ぎた細胞はそのままチャンバから出ていくだけなので、その部分で流れが片寄っても分離性能には影響しないからである。
【００１３】
【発明の効果】
本発明によれば、分離性能を低下させる原因である分離チャンバ内に生じるＺ型の流れを抑制し、真直ぐな流れを作ることができるので、細胞の固着を防止し且つ分離性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる分離チャンバを示しており、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）はその断面図である。
【図２】本発明になる分離チャンバを用いてカウンターフロー遠心法を説明するための構成図である。
【図３】本発明になるカウンターフロー遠心法に用いられるロータを示す平面図である。
【図４】本発明になるカウンターフロー遠心法に用いられるロータを示す断面図である。
【図５】本発明になるカウンターフロー遠心法に用いられるロータを示す一部分解図である。
【図６】従来における分離チャンバを示しており、（ａ）及び（ｂ）は試料の流れを示す説明図である。
【図７】本発明になる分離チャンバを示しており、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は計算モデル図である。
【図８】本発明になる分離チャンバを示しており、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は計算モデル図である。
【符号の説明】
５はロータプレート、６はカップリング、７は分離チャンバ、８はカウンタバランサ、９はパイプ、１０シャフト、１１パイプ、１２は試料注入路、１３は試料排出路、１４は分離チャンバ受容部、１５はカウンタバランサ受容部、１６はパイプ受容部、１８はポンプ、１９はチューブ、２０は培地または試料と浸透圧の等しい液体、２１は分離面、２２は分離室、２３はチャンバ内試料注入路、２４はチャンバ内試料排出路、２５はチャンバ入口、２６はチャンバ出口、２７はチャンバの回転軸方向幅、２８はチャンバの回転方向幅、２９は観察方向、３０はＺ型の流れ、３１は片寄った流れ、３２は真直ぐな流れ、３３は流れのないカド部である。

Claims

試料を供給するためのポンプと、遠心分離機と、該遠心分離機に設けられた駆動装置と、該駆動装置に載置されるロータと、該ロータに配置される分離室と分離面を有するカウンターフロー遠心法用分離チャンバと、該カウンターフロー遠心法用分離チャンバのチャンバ入口に設けられるチャンバ内試料注入路と、前記分離室のチャンバ出口に設けられるチャンバ内試料排出路とを有する遠心分離システムにおいて、
前記分離室を、前記チャンバ入口と前記分離面との間で複数段に変化させ、前記チャンバ入口と接続される最初の段を、チャンバの回転軸方向幅を前記分離面の８０％以上までなだらかに拡大し、チャンバの回転方向幅を前記分離面の２０％以内までなだらかに拡大したことを特徴とする遠心分離システム。
駆動装置に載置されるロータと、該ロータに配置される分離室と分離面を有するカウンターフロー遠心法用分離チャンバと、該カウンターフロー遠心法用分離チャンバのチャンバ入口に設けられるチャンバ内試料注入路と、前記分離室のチャンバ出口に設けられるチャンバ内試料排出路とを有する遠心分離機用ロータにおいて、
前記分離室を、前記チャンバ入口と前記分離面との間で複数段に変化させ、前記チャンバ入口と接続される最初の段を、チャンバの回転軸方向幅を前記分離面の８０％以上までなだらかに拡大し、チャンバの回転方向幅を前記分離面の２０％以内までなだらかに拡大したことを特徴とする遠心分離用ロータ。
分離室と、該分離室内に配置される分離面と、前記分離室のチャンバ入口に設けられるチャンバ内試料注入路と、前記分離室のチャンバ出口に設けられるチャンバ内試料排出路とからなるカウンターフロー遠心法用分離チャンバにおいて、
前記分離室を、チャンバ入口と前記分離面との間で複数段に変化させ、前記チャンバー入口に接続される段を、前記カウンターフロー遠心法用分離チャンバの回転軸方向幅を前記分離面の８０％以上までなだらかに拡大し、且つ前記カウンターフロー遠心法用分離チャンバの回転方向幅を前記分離面の２０％以内までなだらかに拡大したことを特徴とするカウンターフロー遠心法用分離チャンバ。