JP6412146B2 - 流体濾過装置及びアセンブリー - Google Patents

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Description

本発明は、流体を精製するアセンブリーに関し、より具体的には、マイクロ流体技術（microfluidics）及びその他の関連技術分野に適用でき、特に、大容量でも操作できる微細加工技術（microfabrication technologies）と互換性を備える装置に関する。
マイクロ流体技術の分野は、幾何学的に小さな、一般的にサブミリメータ、寸法、より一般的に、ミリリットルスケール、マイクロリットルスケール、ナノリットルスケール或いはより小さな流体の流量に限定される流体の挙動、制御及び操作に関係付けられる。濃縮、分離、混合及び反応工程を含む全てのスケールに流体を適用させる場合が一般的な処理操作である。
特に化学とバイオテクノロジーの分野において過去数十年のにわたり微細化技術は進んでおり、その結果、現在一般的に使用されているラブ・オン・チップ・デバイス（lab-on-a-chip device）が登場した。例えば、微小ケミカルデバイス（micro-chemical devices）及び微小電気機械システム（microelectromechanical systems）メムス（MEMS）、例えばバイオメムスデバイス（Bio-MEMS device）が知られている。
しかし、マイクロ流体技術分野で使用するために比較的大容量の流体用に設計された、一般にラブ・オン・チップ・デバイス等としてチップ上に設けられた処理システムでは、従来の処理システムをそのまま常に小型化できるとは限らない。遠心分離処理（centrifugation process）の一例を挙げると：遠心分離処理は、円板を含む複雑な機械的及び電気的システムで構成されており、少なくとも数十ミリリットルスケールの比較的大きな容量の流体の流量の処理のみに容易に適用可能である。一般にマイクロ又はナノリットルスケール流体の流量を有するマイクロ流体技術用には、このようなデバイスは不経済である。それはまた、物理工学的な観点からも直接チップスケールデバイスに従来の遠心分離システムを小型化することは非常に困難である。
臨床分析及び生物医学的分析のために、サンプルの濃縮及び分離は必要不可欠である。分析診断、がんの治療及び生物工学的応用をするために細胞分画及び分離等を適用する要求は、過去２０年間に増加した。結果として、異なるメカニズムを含む流体の微細／ミクロ体積の濃縮／分離をするための代替システムが開発された。これのシステムの中で、幾つかは、例えば、力学や幾何学等の機械的原理（mechanical principles）を利用し；又は幾つかは、例えば、磁界、電界、光学等のマルチ物理合成手法（multi physics coupling method）を利用している。
濃縮目的として、細胞の大きさ、形状及び比重、様々な膜構造マイクロコンセントレーター（membrane structures microconcentrators）、例えば、液体成分（fluid components）を分離するためにイオン・トラックエッチング・テクノロジー（ion track-etching technology）を使用する極限濾過膜（ultrafiltration membranes）又はナノポーラス膜（nanoporous membranes）等が開発された。例えば、R. V. Levy, M. W. Jornitz. 等が執筆した、非特許文献１に紹介されている。更に、特許文献１には、ロジャース等（Rodgers et al）によって複合フィルム（膜）を有するメムス・フィルタ・モジュール（MEMS filter modules）が開示されている。
しかし、このような膜（フィルム）には、「デッド・エンド（dead-ends）」が存在するため、一般に平膜構造（flat membrane structures）を有するマイクロフィルターでは目詰まりが多く、更に多層膜を有する場合により深刻となる場合がある。更に、平膜構造を有するマイクロフィルターは、専用の製造プロセスが要求されるため、このような薄い機能膜をラブ・オン・チップ・デバイスと一体化させることは困難になる。
フィルター膜内のデッド・エンドを排除するために、いわゆる「クロス・フロー（cross-flow）」と呼ぶフィルターが開発された。例えば、フォスター（Foster et al）らは、特許文献２の微細加工されたクロス・フロー・フィルター及び製造方法を開示している。また、イイダ（Iida et al.）らは、特許文献３の分析装置、分析システム、分離方法及び分離装置の製造方法を開示している。彼らの発明は、濾過バリア（filtrate barriers）は、多くの場合、任意の形状を有しており、正方形、台形、更には三日月型等、即ち、単純な幾何学的な輪郭を有している。バリアのこれらの非流線型プロファイル（non-streamline profiles）は、濾過の効率を低下させる余計な流動抵抗を引き起こすことが有る。また、このような任意の幾何学的プロファイル内に角張ったコーナー部や尖端部が有れば、可也の変形や接着性を有する標的細胞（target cells）又は粒子（particles）によって、実際の使用時に目詰まりが発生しやすくなる。
特許文献４は、少なくとも一つの濾過モジュール（filtration module）と各々の濾過モジュールに濾過材料を備える濾過装置に関している。濾過材料は、例えば、天然又は合成繊維材又は金属又は任意の適切な織物繊維、フェルト等からなる多孔質膜である。このような濾過材料は、流体内のあらゆる汚染物質や粒子が濾過されるとき目詰まりし易い。従来技術より改善され以下の特徴等を有する流体洗練アセンブリーのニーズがある：
−少ない圧力損失
−目詰まりしにくい（ノンクロッグ）
−高拡張性（Highly scalable）
本明細書において「精製」(refining)の用語は、選別、分離、濃縮、又は粒子、多相流体又は他の流体を備える流体の濾過等、あらゆる形式の流体処理を意味する。
米国特許出願公開第２００５／０１８４００３Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２００６／０２６６６９２Ａ１号明細書 欧州特許出願公開第１４５７２５１Ａ１号明細書 仏国特許発明第２５７６８０５号明細書
R. V. Levy, M. W. Jornitz. Types of Filtration. Adv. Biochem. Engin./Biotechnol., vol. 98, 2006年, pp. 1-26. and S Metz, C Trautmann, A Bertsch 及び Ph Renaud. Polyimide microfluidic devices with integrated nanoporous filtration areas manufactured by micromachining 及び ion track technology. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2004年, 14: 8.
本発明の目的は、流体の流れを改善し、圧力とアセンブリーを通る流体の流量のバランスを取ることができる流体精製アセンブリーを提供することにある。
本発明の目的は、請求項の特徴によって達成される。
一実施形態に係る流体精製装置（fluid refining device）は、流体を精製するための注入口（inlet）と、分離排出口（separation outlet）と、精製層（refining layer）で処理された流体用の濃縮排出口（concentration outlet）と、を備え、更に前記精製層は、パターン状に配列された精製ユニットを複数備え、更に前記精製層の断面において前記濃縮排出口は、前記注入口の断面よりも小さい。
システム内のＴｒｉｌｏｂｉｔｅユニット（Trilobite unit）間の距離は、常に最大の入射粒子（incoming particle）よりも可也大きくなる。これは、複雑な流体が出会う第１の装置は、典型的な膜フィルターとは正反対であることを意味する。典型的な膜では、複雑な液体内の粒子を濾過する時には、液体内の最大の粒子よりも可也小さな気泡が発生し、それの多くは、流体の流れを防げる。Ｔｒｉｌｏｂｉｔｅシステム（Trilobite system）では、流れが阻害されないので、圧力損失は低減される。
本発明の一実施形態では、断面積の減少は、分離排出口を通して流れる体積と比例する。このように、流体の流れと圧力のバランスは、従来技術よりも改善される。
更に流動特性及び粒子の分離を向上させるために、粒子サイズとチャネルサイズとの関係に応じて互いの間に距離を置いて精製ユニットを配置させてもよい。
精製ユニット下流における再循環領域を避けるために、流体の速度分布に応じて距離を置いて精製ユニットを配置させてもよい。精製ユニット及び流体の大きな流れとの大きな距離間によって、粒子を捕捉できる気泡を生成することが可能になり、これによって粒子を意図したものとは別のパスを通ることが可能になり、このようにして前記精製装置の効力を減少させる。精製ユニットの間の距離は、流速とのバランスを取ることが必要である。
一実施形態では、精製ユニットは、精製層上に規則的なパターンで配置されてもよい。前記パターンは、例えば、六方最密充填パターン（hexagonal close packed pattern）、立方最密充填パターン（cubic close packed pattern）、ランダム最密充填（random close packed）等のいくつかの異なる規則的なパターンの中から選択されてもよい。
さらなる実施形態では、前記精製層は、対称的な台形（等脚台形）状に形成され、更に、台形の広幅辺に前記注入口を配置させてもよく、台形の挟福辺に前記濃縮排出口を配置させてもよい。精製層を規定する全部の層は、所望の形状を有することが可能であり、或いは、精製層における精製ユニットのパターンの輪郭は、例えば、対照的な台形（等脚台形）として形成される所望の形状を有してもよい。後者の場合には、前記注入口及び濃縮排出口内で精製ユニットのパターンの輪郭を規定してもよい。
本発明の目的は、更に、精製されるべき流体用注入口、少なくとも流体を精製されるべき流体の分離排出口と、濃縮排出口と、精製層と、捕集層（collecting layer）及びカバー層と、を含む流体精製アセンブリーによって達成される。この場合、精製層は、複数のパターンで配列された精製ユニットを備え、前記パターンの輪郭は、対称的な台形（等脚台形）として成形され、前記注入口は、前記台形の広幅辺に配置され、少なくとも１つの排出口は、台形の挟福辺に配置されることによって得られる。
Ｔｒｉｌｏｂｉｔｅシステムが濃縮のために構成されている場合、粒子の濃度を最大にするために、濃縮排出口からの流体の流れが最小量になるように構成されている。この濃度は、可能な限り流れを最大化するために３６０度に露出された中で行われる。このシステムは、直接的な外乱を引き起こさないように、流れ方向、又は、粒子に向かってまず最大の粒子を分離する。
上述した流体精製装置に使用するための精製ユニットの一実施形態は、一つの排出流チャネル（排出流路）（output flow channel）と；流入する流体に向かって上流方向に面した１つの平滑ノーズ部と、下流方向に面した１つのバリア部（barrier section）とを備え；前記バリア部は、一連のバリア要素と中間ギャップ（interposed gap）と、を備え；前記バリア要素は、流線型に設計され、タービン翼のような形状（turbine blade-like）を有しており、更に、前記中間ギャップが注入流チャネル（注入流路）（input flow channel）と排出流チャネルとの間の流体連結（fluid communication）を提供するバリアチャネル（barrier channel）を画定し；バリアフロー（barrier flow）が行われている場合、前記バリアフローとメインフローの間の角度は、９０度より大きな角度になる。
以下、添付図面を参照しながら本発明をより詳細に説明する。
流体精製装置の精製層の一例を示している。 精製層の他の例を示している。 流体精製装置に使用するための精製ユニットの概要の一例を示している。 本発明の精製層及び精製ユニットを用いた精製アセンブリーの構成要素の一例を示している。 流体精製アセンブリーの概要を示す。 流体精製アセンブリーの概要を示す。
図１に示す精製層１０は、流体精製装置の一部として設計され、精製される流体用の注入口１１と、分離排出口（図示せず）と、処理される流体用の濃縮排出口１３とを備えている。精製層１０は、パターン状に配置された精製ユニット１４を複数備えている。精製層の断面は、本実施の形態において左右対称の台形（等脚台形）で形成されており、台形の広いベース(広幅辺)に注入口が配置され、濃縮排出口は、短いベース(挟福辺)に配置されている。濃縮排出口の断面は、従って注入口の断面より小さくなっている。本例では、精製層と精製ユニット１４のパターンの輪郭は、同じ形状を有しているが、上述したように形状は異なってもよい。例えば、精製ユニット１４のパターンの輪郭形状は台形であってもよく、一方、精製層１０は、長方形の形状を有することもできる。
流体は、注入口１１に流入し、精製層１０に沿って流れる。流体は、精製層１０に沿って流れる間に、精製処理が行われる精製ユニット１４を通過する。流体は精製ユニット１４を通過するため、特性精製ユニットよりも小さいサイズの小粒子は精製ユニットによりトラップ／捕捉され、流体の一部及び小粒子は分離排出口から排出される。残りの流体及び粒子は、濃縮排出口１３を介して精製層１０と流体精製装置から排出される。分離排出口は、流体精製装置が濃縮できる粒子を最大まで濃縮するために、出来るだけ大量の流体を流出できるように設計されている。しかしながら、濃縮排出口１３を出る流体の量は、流体の大部分が精製層１０上に一定に流れるのに十分な大きさでなければならない。これは、精製層１０の領域上で断面を減少させることによって容易に行うことができる。このように、このシステムは、流体の流れる方向又は粒子に対して直接的な乱流を生じさせることなく、大きな粒子を最初に分離することができる。
図２は、精製層２０の他の例を示している。この実施の形態において精製層２０は、円形の外周と中央に円形の開口を有する、ドーナッツ状に形成されている。注入口２１は、外周面の円周に沿って配置され、濃縮排出口１３は、中央の円形形状開口部に配置されている。また、この実施の形態において、濃縮排出口２１における断面は、排出口１３における断面よりも小さい。
図３は、流体精製層及び装置で使用するための精製装置３０の一例を示している。精製ユニット３０は、二つの分離技術、遠心力及びクロス・フロー・デッド・エンド濾過（cross-flow dead-end filtration）の組み合わせを利用する。
図に示されている通り、精製ユニット３０は、処理されるべき流体が入る注入口流(注入口流)３１、ノーズ部３２、バリア要素３４、排出口チャネル３６と、及び濃縮流３８を備えている。
ノーズ部３２は、注入口流３１に面する精製ユニットの上流側半分と、多孔質のバリア部３３を形成する固体部分である。多孔質のバリア部３３は、間に複数のバリアチャネル３９を備えたタービン翼のようなバリア要素又は翼(ベイン)３４によって形成されている。留意すべきことは、この装置内のバリア要素３４は、タービン翼のような形状を取ることが好ましいが、円形又は楕円形が適用されてもよい。好ましくは、図３に示すようにバリア部３３は、９０度から２７０度までの、概ね１８０度の角度で延びている。
精製ユニット全体は、注入口（３１）に入る流体の流れに沿って延びる長軸を有する楕円円筒形状を有している。このように、精製ユニット３０のノーズ部３２は、注入流体に面して鈍角形状部分(blunt body)を初期的に提供し、当該部分は流体を２つ分岐させ、バリアの両側に通過させる。鈍角形状部分は円柱状、円筒状、又は楕円柱状であっても良い。
全ての流線型バリア要素３４は、精製ユニットの楕円の内側に接線方向に位置付けられている。
隣接した要素３４によってサンドウィッチされた中間ギャップ３９中にバリアチャネル流が生じる。チャネル３９中の流体の方向は各バリアチャネルに対する入口において、楕円円筒の直角方向に対して鈍角の方向である。上記したチャネルでは、前記精製ユニット周辺の流れと前記チャネル内の流れとの間の角度は少なくとも９０度であることが好ましい。前記鈍角は、図４に８で示されているように、主流と貫通流の速度ベクトルに含まれている角度にしたがって測定してものである。
濾過された流体は装置３０の中央に集められ、排出口チャネル穴（３６）を通して排出される。この場合、濾過された流体は、以下に説明するように、例えば、捕集層(collection layer)を通過させても良い。
流入物の速度が等速度u0である低レイノルド数の流体では、楕円形状精製ユニット周辺の局部的な速度分布は、ポテンシャル流理論(potential flow theory)によって記述できる(I.G. Currie. Fundamental mechanics of fluids, 2nd Ed., McGraw-Hill: New York, 1993 )。即ち、-u0(1+b/a)sin sin2+(b/a)cos2,ここで、パラメータa,bはそれぞれバリアの主軸及び副軸であり、流入物に対する局部位置の角度として規定される。この角度は９０度より大きい。
精製ユニット３０の楕円円筒形状によって流体に与えられる遠心力の結果として、高速粒子は通常、低速粒子より、精製ユニットから離れた軌道を有することになる。粒子速度は粒子周辺のキャリア流の速度によって支配される。
同様に、粒子周辺の局部的流体速度は供給流体の流量に強く関連付けられている。そのため、主流中に残存する粒子の確率は供給流体における流量の増加と共に増加する。小粒子、障害物間のギャップより小さい粒子でさえ、遠心力によって、高速流速度で主流中に残存する。
例えば、血液細胞のような固体成分を含む流入物が精製ユニット３２、３３周辺を通過すると、高い質量を有する大きな細胞３７が上記した効果により、入口からバリアチャネル３９まで離れるように付勢され、残部排出口３８まで通過する傾向を示す。逆に、低い質量を有する小さな細胞３５は、精製ユニット表面及びバリアチャネルの入口近くに残留し、要素３４間のチャネル３９を通過するように付勢される。
バリア３３周辺の流体の流れに対してチャネル３９が鈍角を維持することによって、チャネル３９を通過する流れは、バリア３３周辺で主流方向に対して上流方向要素を含む逆流である。逆流は、流体の流れそのものによるものではなく、精製ユニットの幾何学的設計によって生じるものである。
目詰まりを防ぐために、バリア要素３４は、貫通流方向に対して、収束、拡散形状(convergent divergent)を有している。これは、小粒子入口領域から離れた粒子を押し出すような反対方向の圧力勾配を生成している。分離効率を低下させる渦及び低速度領域の発生を最小限にするために、精製ユニットは流線型形状を有している。ノーズ部３２はバリアチャネル３９の方向における流速を最大限にするように成形されている。
この記述から、例えば、図１及び/又は２に示された精製層中の図３のユニット３０のようなユニットのサイズ、ユニット間の距離、ベインのサイズ、分離されるべき粒子サイズが関連付けられていることが分かる。即ち、ユニット間の距離は粒子サイズに関連しており、ユニットサイズ、ベインサイズ、及びベイン間のギャップは密接に関連しており、精製装置の用途に応じて選択することができる。
図４は精製アセンブリーの例を示し、図示された精製アセンブリーには、本発明の精製層及び精製ユニットが使用されている。
多数の精製ユニット４１が精製層（４２）中に配置されている。精製層は図１に記載されているように、台形形状であっても良いが、他の適切な形状であっても良い。この図において、精製層は、扇型形状に組み立てられた多数の台形形状の精製層４３を含んでいる。多数の扇型形状部４３は円形プレートに組立てられ、円筒流体精製アセンブリー４５を構成する層状構造４４に配置されている。一緒に配置された２つの精製装置は、一つの注入と３つの排出を有している。２つの精製装置を使用して、３つの異なる粒子サイズを分離し、分類することができる。より多くの装置を付加することによって、より多くの粒子/物質を分類することができる。
ある装置では、システムは２つの排出を備え、わずかな注入流を精製する場合がある。２つのサイズの粒子を分離することができる。又は、このことは、流体を精製することとして理解できるし、或るサイズ以上の粒子を除去することによってより純化することと理解することもできる。
図５a 及び５bは２つの流体精製アセンブリー４０、４０’の例を概略的に示している。２つの流体精製アセンブリーは類似しているため、同様な構成要素は同一の参照符号によって示している。流体精製アセンブリー４０、４０’はそれぞれ、精製されるべき流体の注入口４１、分離排出口４２、及び精製された流体の濃縮排出口４３を含んでいる。アセンブリー４０は、精製層４６、捕集層４８、及び被覆層４７によって構成されている。精製層４６はパターン状に配置された複数の精製ユニット４４を含み、このパターンの輪郭は対称台形(等脚台形)形状に成形されている。この例では、流体精製アセンブリー及び３つの層全てが対称台形(等脚台形)形状に成形されており、精製ユニットの輪郭のパターンは精製層内部に配置されており、精製層の外周よりも小さい外周を有している。これらの図からも分かるように、注入口４１は台形形状の広幅辺部或いはその近くに配置され、排出口は台形形状の挟幅辺部或いはその近くに配置されている。
使用の際には、精製されるべき流体が注入口４１に流され、精製層４６に沿って流れる。流体が精製層４６に沿って流れるため、流体は精製ユニット４４を通過し、上記した精製プロセスが行われる。流れは各精製ユニット４４に到達するため、小粒子、即ち、精製ユニットの特性精製サイズよりも小さなサイズの粒子は精製ユニットの内側を通過して、流体を捕集層４８に流す経路を形成する。捕集層４８は精製ユニット４４から流体を受ける捕集スペース４９を含んでいる。この実施形態では、捕集スペース４９は捕集層４８中に凹部として形成されており、精製層４６における精製ユニットのパターンの輪郭形状及びサイズに対応した形状及びサイズを有している。流体は捕集層４８に沿って、分離排出口４２の方に流れる。精製ユニット４４を通過しない残りの流体及び粒子は精製層及び濃縮排出口４３を通して流体精製装置から流出する。図１に関連して記載したように、分離排出口は、流体精製装置が濃縮できる粒子の濃度を最大にするために、出来るだけ多量の流体を流出できるように設計されている。この場合、精製層４６の長さに亘って、一般的にコンスタントな流体の流れが維持される。
図５ｂの精製アセンブリーは更に、捕集層４８の収集スペース中に配置された多数の支持要素４５を備え、その高さは捕集スペースの深さに対応した高さを有している。支持要素４５は、捕集層４８と精製装置４６間に一様な空間を維持するのに適したピラー型、コラム型、又は他の形状を有していても良い。

Claims (9)

  1. 精製層を有する流体精製装置であって、前記精製層は、精製されるべき流体のための注入口、分離排出口、及び処理された流体のための濃縮排出口を含み、前記精製層は、前精製層上に流体の流れに沿って延びる長軸を有する規則的にパターン状に配置された複数の楕円形の精製ユニットと、前記精製層又は前記精製層中の複数の精製ユニットのパターンの輪郭は対称台形形状(等脚台形形状)を有しており、前記注入口は前記台形形状の広幅辺部に配置され、前記濃縮排出口は前記台形形状の挟副辺部に配置され、前記濃縮排出口の断面は前記注入口の断面より小さく且つ流体の大部分が前記精製層上に一定に流れるように構成された流体精製装置。
  2. 請求項１において、前記断面面積の減少は、前記分離排出口を通過する流体の体積に比例している流体精製装置。
  3. 請求項１又は２において、粒子を含む流体を精製するように構成された流体精製装置。
  4. 請求項３において、前記複数の精製ユニットは、粒子とチャネルサイズとの関係にしたがって互いに距離を置いて配置されている流体精製装置。
  5. 請求項１〜４のいずれか一項において、前記複数の精製ユニットの下流側に再循環領域が形成されるのを防止するために、処理される流体の速度プロファイルにしたがった距離で、前記複数の精製ユニットは配置されている流体精製装置。
  6. 請求項１において、前記複数の精製ユニットはそれぞれ排出流チャネルを備え、且つ前記排出流チャネルは分離排出口と接続されている流体精製装置。
  7. 請求項１〜６のいずれか一項において、前記精製層中の複数の精製ユニットのパターンは立方最密パターン(closed packed hexagon pattern)である流体精製装置。
  8. 精製されるべき流体の注入口、少なくとも分離排出口及び精製された流体の濃縮排出口、精製層、収集層及び被覆層(cover layer)を含む流体精製アセンブリーであって、前記精製層は、前精製層上に流体の流れに沿って延びる長軸を有する規則的なパターン状に配置された複数の楕円形の精製ユニットを備え、
    前記パターンの輪郭は対称台形形状(等脚台形形状)を有し、
    前記注入口は前記台形形状の広幅辺部に配置され、少なくとも一つの排出口は前記台形形状の挟幅辺部に配置されている流体精製アセンブリー。
  9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載された精製ユニットであって、前記精製ユニットは楕円形をしており、単一の排出流チャネル、注入流体に上流方向に面する鈍角ノーズ部、下流方向に面するバリア部を備え、前記バリア部は一連のバリア要素と中間ギャップを有し、前記バリア要素は流線設計に基づくタービン翼のような形状又は円形又は楕円形を有し、前記中間ギャップは注入流チャネルと排出流チャネル間の流体通路を与えるバリアチャネルを規定しており、バリア流が流れ、前記バリア流と主流との間の角度は９０度より大きい精製ユニット。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201603819D0 (en) * 2016-03-04 2016-04-20 Oslofjord Ressurspark As Device and method for refining particles
CN106513069A (zh) * 2016-11-08 2017-03-22 常州锐德医疗科技有限公司 微流控芯片
CN106345547B (zh) * 2016-11-08 2018-09-25 锐意微流控医疗科技（常州）有限公司 一种微流控芯片
CN112867566A (zh) * 2018-10-23 2021-05-28 三叶虫创新股份有限公司 流体提纯装置
WO2020100039A1 (en) * 2018-11-13 2020-05-22 National Research Council Of Canada World-to-chip automated interface for centrifugal microfluidic platforms
WO2020139210A1 (en) 2018-12-28 2020-07-02 Mikro Biyosistemler Elektronik Sanayi Ve Ticaret A.S. A method of microfluidic particle separation enhancement and the device thereof

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2576805B1 (fr) * 1985-02-01 1989-08-25 Lyonnaise Eaux Appareil de filtration tangentielle
DE3546091A1 (de) * 1985-12-24 1987-07-02 Kernforschungsz Karlsruhe Querstrom-mikrofilter
US5788425A (en) * 1992-07-15 1998-08-04 Imation Corp. Flexible system for handling articles
JP2004042012A (ja) * 2001-10-26 2004-02-12 Nec Corp 分離装置、分析システム、分離方法および分離装置の製造方法
US7226540B2 (en) 2004-02-24 2007-06-05 Becton, Dickinson And Company MEMS filter module
WO2006052223A1 (en) * 2004-11-11 2006-05-18 Agency For Science, Technology And Research Cell culture device
CN100359368C (zh) * 2004-12-29 2008-01-02 财团法人工业技术研究院 微元件及其制造方法
CN1631549A (zh) * 2005-01-13 2005-06-29 浙江大学 雾化喷头
US20060266692A1 (en) 2005-05-25 2006-11-30 Innovative Micro Technology Microfabricated cross flow filter and method of manufacture
CN101271070B (zh) * 2008-05-09 2010-04-14 东北大学 微流控毛细管电泳液芯波导荧光检测装置
GB0913523D0 (en) * 2009-08-03 2009-09-16 Vestfold University College Improved cross flow and counter flow fluid processing devices
BR112012018376A2 (pt) * 2009-12-23 2017-10-10 Cytovera Inc "sistema e método para filtração de partículas"
CN103328066A (zh) * 2010-10-07 2013-09-25 阿米亚德过滤系统公司 过滤单元和系统
CN102840788A (zh) * 2012-09-19 2012-12-26 常州大学 一种气体板式换热器进、出封头
KR101768445B1 (ko) * 2017-04-03 2017-08-16 주식회사 그레넥스 섬유상 여과기의 여재 장착 디스크

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