KR20120117834A - 입자여과를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 구체예는 입자 여과용 여과 모듈을 포함한 여과 시스템, 및 입자(예를 들어, 살아있는 세포)의 단리를 위한 장치를 이용하는 방법에 관한 것이다. 유리하게, 본 장치의 구체예는 세포 생존력을 보존하고 고수율을 제공하면서 큰 부피의 샘플의 고처리량 여과를 제공한다.
Description
생물학적 샘플로부터 세포를 분리하기 위한 방법은 여러 임상적 절차 및 과학적 연구 방법에서 중요하다. 제대혈 뱅킹(cord blood banking)에서, 제대혈은 장기간의 저장 비용을 줄이기 위하여 냉동 보존에 들어가기 전에 세포 분리 공정을 이용하여 부피를 감소시킬 수 있다. 세포 치료에서, 특정 세포 타입은 생착(engraftment)을 증가시키기 위해 환자에게 주입하기 전에 농축될 수 있다. 세포 분리를 위한 현재의 여과 기술은 종종 세포 생존력을 보존하는데 실패하고 통상적으로 낮은 수율을 갖는다. 예를 들어, 크기 배제를 필요로 하는 세포 분리 기술은 부서지기 쉬운 세포를 세포 손상 또는 용해를 야기시키는 전단 응력으로 처리한다. 세포 파편의 축적은 장치 오염 및 막힘을 가속시킨다. 흔히 이러한 방법을 이용하여 단리된 세포는 활성화되거나, 변형되거나, 손상되거나, 사멸된다. 마이크로유체 장치는 샘플들을 처리할 수 있는 샘플의 부피에 의해 제한된다. 단순히, 이러한 장치를 통한 유속의 증가는, 유속이 증가할 때, 장치를 통해 이동하는 세포의 전단 응력이 또한 증가하기 때문에 성공적이지 않다. 이에 따라, 전단 응력은 용적 처리량(volumetric throughput)을 제한한다. 이에 따라, 여과 매커니즘으로서 크기 배제를 이용하지 않는 입자 여과를 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이 요망된다. 특히, 쉽게 막히지 않고 높은 용적 처리량을 가지고 물리적으로 콤팩트(compact)하고, 세포를 손상시키거나 활성화시키지 않는 세포를 여과시키기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이 요망된다.
하기에 기술된 바와 같이, 본 발명은 살아있는 세포를 농축시키기 위한 입자 여과용 장치, 및 이러한 장치를 이용하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 혈액 세포 타입의 단리, 제대혈의 부피 감소, 및 지방줄기세포 분획(stromal vascular fraction)의 제조를 위해 이러한 장치의 사용을 특징으로 한다.
유리하게, 본 장치는 세포 생존력을 보존하고 높은 수율을 제공하면서, 큰 부피의 샘플의 고처리량 여과를 제공할 수 있다. 본 발명의 일부 구체예는 자동화 및 고처리량 가공을 위해 적합한 장치를 포함할 수 있으며, 본 발명의 일부 구체예는 닫힌 시스템에서 임상 샘플을 가공할 수 있는 시스템을 포함할 수 있다. 또한, 본 장치를 이용하는 방법은 고성능, 높은 회수, 및 일부 경우에서 고순도를 제공할 수 있다. 또한, 임상 샘플 가공, 예를 들어 제대혈 부피 감소, 골수 줄기 세포 농축, 말초 혈액 줄기 세포 가공, 및 지방줄기세포 분획 제조에 적용되는 바와 같은 본 장치를 이용하는 방법은 높은 정도의 분리후 세포 생존력, 사용의 용이성, 안전성 및 비용 효율성을 유지시키기 위해 제공될 수 있다.
일 구체예에서, 본 발명은 살아있는 세포의 고-처리량 분리를 위해 제공되는 입자 여과 장치를 제공한다. 입자 여과 장치가 최소의 전단력으로 입자 분리를 제공하기 때문에, 분리된 세포의 적어도 약 50%, 75%, 85%, 95%, 98%, 99%, 99.5% 또는 그 이상은 생존하고 연구 및 의료 용도에 적합하다. 다양한 구체예에서, 하나 이상의 필터 유닛 장치로 전달하기 위해 샘플 및/또는 담체 유체를 유지시키기에 적합한 하나 이상의 용기, 및 장치로부터 유출되는 잔존물(retentate) 또는 여과물(filtrate)을 유지시키기에 적합한 하나 이상의 추가 용기를 특징으로 한다. 일 구체예에서, 상기 용기들은 액체를 유지시키기에 적합한 가요성 백(flexible bag)이다. 다른 구체예에서, 상기 용기들은 유체를 운반하기에 적합한 가요성 배관(flexible tubing)에 의해 필터 유닛에 연결된다. 요망되는 경우에, 배관은 어댑터(adapter)에 의해 용기 및/또는 필터 유닛 하우징에 연결된다.
본 발명의 양태 및 구체예는 하우징 하우징 및 복수의 (예를 들어, 약 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35,40, 50, 75, 100, 200, 250, 500, 750, 1,000, 2,000, 또는 5,000) 여과 유닛을 포함하는 카트리지를 포함하는 입자 여과를 위한 시스템에 관한 것으로서, 여기서 상기 하우징은 공급물 샘플 유입구, 잔존물 유출구 및 여과물 유출구를 포함하며, 각 여과 유닛은 근위 단부 및 원위 단부를 갖는 잔존물 챔버, 여과물 챔버, 및 상기 잔존물 챔버와 여과물 챔버 사이에 위치된 기둥(pillar)의 열(row)을 포함하며, 상기 기둥은 잔존물 챔버와 여과물 챔버 간에 유체 소통하게 하는 복수의 기공을 한정하며, 여기서, 잔존물 챔버의 폭은 근위 단부에서 원위 단부로 감소하며, 여과물 챔버의 폭은 근위 단부에서 원위 단부로 증가하며, 여과 유닛은 기공의 유효 기공 크기가 기공의 물리적 기공 크기보다 작은, 예를 들어 약 30%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 또는 98% 작도록 구성되어 있으며, 공급물 샘플 유입구는 각 여과 유닛에 존재하는 잔존물 챔버의 근위 단부와 유체 연결되며, 여과물 유출구는 각 여과 유닛에 존재하는 여과물 챔버와 유체 소통하며, 잔존물 유출구는 복수의 여과 유닛 각각에 존재하는 잔존물 챔버의 원위 단부와 유체 소통한다.
다른 양태에서, 본 발명은 하우징 및 복수의 여과 유닛을 포함하는 카트리지를 포함하는 입자 여과용 시스템을 제공하는데, 여기서 하우징은 공급물 샘플 유입구, 잔존물 유출구, 및 여과물 유출구를 포함하며, 각 여과 유닛은 근위 단부 및 원위 단부를 갖는 잔존물 챔버, 적어도 하나의 원위 단부를 포함한 여과물 챔버, 및 잔존물 챔버와 여과물 챔버 사이에 위치된 복수의 기공을 포함한 필터를 포함하며, 상기 기공은 잔존물 챔버와 여과물 챔버 사이에 유체 소통을 가능하게 하며, 여기서, 여과물 챔버, 필터 및 잔존물 챔버는 기공의 유효 기공 크기가 기공의 물리적 기공 크기보다 작도록 구성되며, 공급물 샘플 유입구는 각 여과 유닛에 존재하는 잔존물 챔버의 근위 단부와 유체 연결되며, 여과물 유출구는 각 여과 유닛에 존재하는 여과물 챔버와 유체 연결되며, 잔존물 유출구는 복수의 여과 유닛 각각에 존재하는 잔존물 챔버의 윈위 단부와 유체 연결된다.
다른 양태에서, 본 발명은 하우징 및 복수의 여과 유닛을 포함하는 카트리지를 포함한 입자 여과용 시스템을 제공하는 것으로서, 여기서 하우징은 공급물 샘플 유입구, 잔존물 유출구, 및 여과물 유출구를 포함하며, 각 여과 유닛은 제1 유동 챔버, 제2 유동 챔버, 및 약 100 nm 내지 약 3 ㎜ (예를 들어, 약 100 nm, 200 nm, 300 nm, 400 nm, 500 nm, 750 nm, 1 ㎛, 2 ㎛, 3 ㎛, 5 ㎛, 7.5 ㎛, 10 ㎛, 20 ㎛, 30 ㎛, 50 ㎛, 75 ㎛, 100 ㎛, 200 ㎛, 300 ㎛, 500 ㎛, 1 ㎜, 2 ㎜, 또는 3 ㎜)의 물리적 기공 크기를 갖는 약 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 100, 200, 250, 300, 500, 1,000, 2,000, 5,000개 또는 그 이상의 기공을 포함하는 필터를 포함하며, 여기서 필터는 제1 유동 챔버와 제2 유동 챔버 사이에 배치되며, 제1 유동 챔버 및 제2 유동 챔버는, 잔존물 입자가 물리적 제한 없이 필터에 의해 보유되도록 구성되며, 공급물 샘플 유입구는 각 여과 유닛에 존재하는 제1 유동 챔버의 근위와 유체 연결되며, 여과물 유출구는 각 여과 유닛에 존재하는 제2 챔버의 원위 단부와 유체 연결되며, 잔존물 유출구는 복수의 여과 유닛 각각에 존재하는 제1 유동 챔버의 원위 단부와 유체 연결된다.
다른 양태에서, 본 발명은 하우징 및 복수의 여과 유닛을 포함한 카트리지를 포함한 입자 여과용 시스템을 제공하는 것으로서, 여기서 하우징은 공급물 샘플 유입구, 잔존물 유출구, 및 여과물 유출구를 포함하며, 각 여과 유닛은 근위 단부 및 원위 단부를 갖는 제1 유동 챔버, 제2 유동 챔버, 및 제1 유동 챔버와 제2 유동 챔버 사이에 배치된, 약 10 nm 내지 10 ㎜의 물리적 기공 크기를 갖는 기공을 포함한 필터를 포함하며, 여기서 제1 유동 챔버 및 제2 유동 챔버는, 필터의 보유 크기(retention size)가 물리적 기공 크기보다 작도록 구성되며, 공급물 샘플 유입구는 각 여과 유닛에 존재하는 제1 유동 챔버의 근위 단부와 유체 연결되며, 여과물 유출구는 각 여과 유닛에 존재하는 제2 유동 챔버의 원위 단부와 유체 연결되며, 잔존물 유출구는 복수의 여과 유닛 각각에 존재하는 제1 유동 챔버의 원위 단부와 유체 연결된다.
다른 양태에서, 본 발명은 하우징 및 복수의 여과 유닛을 포함하는 카트리지를 포함하는 입자 여과용 시스템을 제공하는 것으로서, 여기서 하우징은 공급물 샘플 유입구, 잔존물 유출구, 여과물 유출구, 및 임의적으로 담체 유체 유입구를 포함한다. 각 여과 유닛은 제1 유입구 포트, 제1 유출구 포트, 제2 유출구 포트, 및 임의적으로 담체 유체 유입구와 유체 연결된 제2 유입구 포트를 포함할 수 있다. 각 여과 유닛은 약 0.3 ㎜-2 보다 큰 디자인 효율 지수(design efficiency index)를 가질 수 있다. 공급물 샘플 유입구는 각 여과 유닛에 존재하는 제1 유입구 포트와 유체 연결될 수 있다. 여과물 유출구는 각 여과 유닛에 존재하는 제1 유출구 포트와 유체 연결될 수 있다. 잔존물 유출구는 복수의 여과 유닛 각각에 존재하는 제2 유출구 포트와 유체 연결될 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 원심분리 튜브, 튜브 삽입체(tube insert), 및 캡(cap)을 포함하는 튜브 필터 시스템을 제공하는 것으로서, 튜브 삽입체는 상기 양태들 중 어느 하나에 따른 적어도 하나의 여과 유닛, 공급물 샘플 저장소 및 임의적으로 담체 유체 저장소를 포함하며, 이들 각각은 제1 유동 챔버 또는 잔존물 챔버의 근위 단부와 유체 연결되고 산출물 저장소(output reservoir)는 잔존물 챔버의 원위 단부 또는 제2 유동 챔버와 유체 연결되며, 여기서 산출물 저장소는 여과 유닛으로부터 잔존물 또는 여과물을 수용하도록 구성된다.
다른 양태에서, 본 발명은 하나 이상의 샘플 웰 및 임의적으로, 임의의 상기 양태 또는 본원에 기술된 본 발명의 임의의 다른 양태에 따른 여과 유닛과 유체 연결된 담체 유체 웰, 및 여과 유닛과 유체 연결된 여과물 웰 및 잔존물 웰을 포함하는 플레이트 필터 시스템을 제공하는 것으로서, 여기서 여과물 웰 및 잔존물 웰은 여과 유닛으로부터 여과물 및 잔존물을 수용하도록 구성된다.
다른 양태에서, 본 발명은 하나 이상의 샘플 웰(sample well) 및 임의적으로, 임의의 상기 양태 또는 본원에 기술된 본 발명의 임의의 다른 양태에 따른 여과 유닛과 유체 연결된 담체 유체 웰, 및 여과물 웰 및 잔존물 웰을 포함하는 플레이트 필터 시스템을 제공하는 것으로서, 여기서 여과물 웰 및 잔존물 웰은 여과 유닛으로부터 여과물 및 잔존물을 수용하도록 구성된다. 일 구체예에서, 여과물 웰 또는 잔존물 웰은 샘플 웰과 동일한 플레이트 상에 존재하지 않는다.
상기 양태들 중 임의의 것 또는 본원에 기술된 본 발명의 임의의 다른 양태의 다양한 구체예에서, 공급물 샘플 유입구는 배관 라인을 경유하여 어댑터에 연결된 근위 단부를 가지며, 잔존물 유출구는 배관 라인을 경유하여 잔존물 수집 백에 연결되며, 여과물 유출구는 배관 라인을 경유하여 여과물 수집 백에 연결된다. 상기 양태의 다른 구체예에서, 공급물 샘플 유입구는 근위 단부 및 원위 단부를 갖는 샘플 수집 백에 연결되며, 여기서 근위 단부는 니들을 수용하도록 구성된 막을 포함하며, 원위 단부는 어댑터가 부착될 수 있는 포트를 포함한다. 상기 양태의 다른 구체예에서, 공급물 샘플 유입구는 배관 라인을 경유하여 샘플 수집 백에 연결된 근위 단부를 가지며, 잔존물 유출구는 배관 라인을 경유하여 잔존물 수집 백에 연결되며, 여과물 유출구는 배관 라인을 경유하여 여과물 수집 백에 연결된다. 상기 양태의 또 다른 구체예에서, 샘플 수집 백은 샘플을 샘플 수집 백에서 뽑아내기 위한 니들을 포함한다.
본 발명에 의해 규정된 조성물 및 물품은 하기에 제공되는 실시예와 관련하여 단리되거나 달리 제조되었다. 본 발명의 다른 특징 및 장점들은 상세한 설명 및 청구범위로부터 자명하게 될 것이다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 여과 장치가 제공된다. 본 여과 장치는 제1 유동 챔버를 포함한다. 상기 제1 유동 챔버는 입자 및 유체를 포함하는 공급물을 수용하도록 구성된 적어도 하나의 유입구, 및 적어도 하나의 잔존물 유출구를 포함한다. 본 여과 장치는 적어도 하나의 여과물 유출구를 갖는 원위 단부를 포함하는 제2 유동 챔버, 및 제1 유동 챔버와 제2 유동 챔버 사이의 위치된 필터를 포함한다. 상기 필터는 제1 열의 기둥(pillar) 및 인접한 기둥들 사이의 간격에 의해 한정된 복수의 기공을 포함한다. 복수의 기공의 각 기공은 기공을 한정하는 인접한 기둥들 사이의 거리에 의해 규정된 물리적 기공 크기 및 물리적 기공 크기보다 작은 유효 기공 크기를 포함한다. 여과 장치는 공급물을 여과 장치를 통해 이동시키기 위한 수단을 추가로 포함한다. 제1 유동 챔버, 제2 유동 챔버, 필터, 및 공급물을 여과 장치를 통해 이동시키기 위한 수단은 기공의 유효 기공 크기보다 크고 기공의 물리적 기공 크기보다 작은 크기를 갖는 입자의 실질적인 분획을 제1 유동 챔버에서 잔존물로서 보유하고 유체의 실질적인 분획을 여과물로서 제2 유동 챔버로 진행시키도록 구성된다.
일부 구체예에 따르면, 제1 유동 챔버는 제1의 실질적으로 일정한 깊이를 포함한다. 일부 구체예에 따르면, 제2 유동 챔버는 제2의 실질적으로 일정한 깊이를 포함한다. 일부 구체예에 따르면, 필터와 제1 유동 챔버의 측벽 간의 거리는 적어도 하나의 유입구에서 적어도 하나의 농출물 유출구로의 길이를 따라 감소한다. 일부 구체예에 따르면, 필터와 제2 유동 챔버의 측벽 간의 거리는 제2 유동 챔버의 근위 단부에서 원위 단부로의 길이를 따라 증가한다.
일부 구체예에 따르면, 제2 유동 챔버의 측벽에 접한 라인 및 기둥의 열에 접한 라인 사이의 각도는 약 5도 미만이다.
일부 구체예에 따르면, 기공의 서브세트(subset)는 실질적으로 동일한 물리적 기공 크기를 갖는다.
일부 구체예에 따르면, 기공의 서브세트는 실질적으로 동일한 유효 기공 크기를 갖는다.
일부 구체예에 따르면, 제1 열의 기둥은 여과 장치에 존재하는 모든 기둥의 약 10% 초과 기둥을 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 여과 장치는 제1 유동 챔버의 길이 및 제2 유동 챔버의 길이 보다 크게 규정된 장치 길이, 및 제1 유동 챔버의 폭 및 제2 유동 챔버의 폭의 가장 큰 총합의 포인트에서 제1 유동 챔버의 폭 및 제2 유동 챔버의 폭의 총합에 의해 규정된 장치 폭을 가지며, 장치 폭에 대한 장치 길이는 약 6 보다 큰 비율을 갖는다.
일부 구체예에 따르면, 각 기공은 기공의 물리적 기공 크기의 약 80% 미만인 유효 기공 크기를 갖는다.
일부 구체예에 따르면, 제1 챔버는 적어도 하나의 유입구와는 다른 적어도 하나의 담체 유체 유입구를 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 적어도 하나의 담체 유체는 핵산 염색제, 고정액, 냉동 용액, 알킬화제, 항체, 자성 비드, 효소, 콜라게나제, 리파제, DNase, 특정 효소의 기질, 시클로포스파미드의 활성 유도체, 성장 인자, 세정제, 및 용해 용액 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 제1 유동 챔버 및 필터 각각에는 본 장치를 통한 유로에서 약 1 ㎛ 보다 작은 곡률 반경을 갖는 임의의 리딩 에지(leading edge)가 존재하지 않는다.
일부 구체예에 따르면, 기공의 제1 서브세트는 기공의 제2 서브세트와 상이한 유효 기공 크기를 갖는다. 일부 구체예에서, 제2 유동 챔버의 적어도 하나의 여과물 유출구는 기공의 제1 서브세트를 통과한 여과물을 수집하도록 구성되며, 제2 유동 챔버는 기공의 제2 서브세트를 통과한 여과물을 수집하도록 구성된 제2 여과물 유출구를 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 본 여과 장치는 제2 필터 및 제3 유동 챔버를 추가로 포함한다. 제2 필터는 제1 유동 챔버와 제3 유동 챔버 사이에 배치될 수 있다. 제3 유동 챔버는 근위 단부 및 원위 단부를 포함할 수 있으며, 상기 원위 단부는 적어도 하나의 유출구를 갖는다. 제3 챔버는 근위 단위에서 원위 단부로의 길이를 따라 확장될 수 있다.
일부 구체예에 따르면, 본 여과 장치는 제1 유동 챔버의 길이에 의해 규정된 장치 길이, 및 제1 유동 챔버의 폭, 제2 유동 챔버의 폭 및 제3 유동 챔버의 폭의 가장 큰 총합의 포인트에서 제1 유동 챔버의 폭, 제2 유동 챔버의 폭 및 제3 유동 챔버의 폭의 총합에 의해 규정된 장치 폭을 가지며, 장치 폭에 대한 장치 길이는 약 5 초과의 비율을 갖는다.
일부 구체예에 따르면, 본 여과 장치는 약 5,000개 이하의 기둥을 갖는다.
일부 구체예에 따르면, 제1 필터 및 제2 필터는 여과 장치에 포함된 모든 기둥의 약 15% 초과의 기둥을 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 본 여과 장치는 제1 유동 챔버의 중심선을 통한 거울면에 대하여 실질적으로 대칭적이다.
일부 구체예에 따르면, 제1 열의 기둥에 의해 규정된 접선, 및 제2 열의 기둥에 의해 규정된 접선은 평행하지 않다.
일부 구체예에 따르면, 본 여과 장치는 제2 필터, 제3 유동 챔버, 및 제4 유동 챔버를 추가로 포함한다. 제2 필터는 제3 유동 챔버와 제4 유동 챔버 사이에 배치될 수 있다. 제3 유동 챔버는 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 유출구를 포함할 수 있다. 제4 유동 챔버는 적어도 하나의 유출구를 포함할 수 있다.
일부 구체예에 따르면, 제3 유동 챔버의 적어도 하나의 유출구는 제1 필터로부터 잔존물을 수집하도록 구성된다. 제3 유동 챔버는 적어도 하나의 유출구와는 다른 제2 유출구를 추가로 포함할 수 있으며, 여기서 제3 유동 챔버의 제2 유출구는 제2 필터로부터 잔존물을 수집하도록 구성된다.
일부 구체예에 따르면, 제3 유동 챔버의 적어도 하나의 유출구는 제1 필터로부터의 잔존물, 및 제2 필터로부터의 잔존물을 수집하도록 구성된다.
일부 구체예에 따르면, 제3 유동 챔버의 적어도 하나의 유출구는 제1 필터로부터의 잔존물을 수집하도록 구성된다. 제3 유동 챔버는 적어도 하나의 유출구와는 다른 제2 유출구를 추가로 포함할 수 있으며, 여기서 제3 유동 챔버의 제2 유출구는 제1 필터로부터 여과물을 수집하도록 구성된다.
일부 구체예에 따르면, 본 여과 장치는 제1 유동 챔버의 길이 및 제3 유동 챔버의 길이의 총합에 의해 규정된 장치 길이, 및 제1 유동 챔버의 폭 및 제2 유동 챔버의 폭의 가장 큰 총합의 포인트에서의 제1 유동 챔버의 폭 및 제2 유동 챔버의 폭의 총합, 및 제3 유동 챔버의 폭, 및 제4 유동 챔버의 폭의 가장 큰 총합의 포인트에서의 제3 유동 챔버의 폭 및 제4 유동 챔버의 폭의 총합 보다 큰 폭에 의해 규정된 장치 폭을 가지며, 장치 폭에 대한 장치 길이는 약 10 보다 큰 비율을 갖는다.
일부 구체예에 따르면, 제1 필터 및 제2 필터는 필터 장치에 포함된 모든 기둥의 10% 이상의 기둥을 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 제3 유동 챔버의 적어도 하나의 유입구는 제2 유동 챔버의 적어도 하나의 여과물 유출구와 유체 연결된다.
일부 구체예에 따르면, 제3 유동 챔버의 적어도 하나의 유입구는 제1 유동 챔버의 적어도 하나의 잔존물 유출구와 유체 연결된다.
일부 구체예에 따르면, 제3 유동 챔버의 적어도 하나의 유입구는 제1 유동 챔버의 적어도 하나의 유출구 및 제2 유동 챔버의 적어도 하나의 유출구와 유체 연결된다.
일부 구체예에 따르면, 제3 유동 챔버는 적어도 하나의 유입구와는 다른 적어도 하나의 담체 유체 유입구를 추가로 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 본 여과 장치는 "여과물 챔버 팽창 기준"을 충족하도록 구성된다.
일부 구체예에 따르면, 본 여과 장치는 "최소 기공수 기준"을 충족하도록 구성된다.
일부 구체예에 따르면, 본 여과 장치는 제1 유동 챔버의 근위 단부에서 부피 유속(volumetric flow rate)의 약 3% 미만의 부피 유속으로 각 기공을 통해 유체를 흐르게 하도록 구성된다.
일부 구체예에 따르면, 본 여과 장치는 실질적으로 일정한 유속으로 제1 챔버를 통해 유체를 흐르게 하도록 구성된다.
일부 구체예에 따르면, 본 여과 장치는 실질적으로 일정한 유속에서 제2 챔버를 통해 유체를 흐르게 하도록 구성된다.
일부 구체예에 따르면, 본 여과 장치는 실질적으로 동일한 유속에서 필수적으로 모든 기공을 통해 유체를 흐르게 하도록 구성된다.
일부 구체예에 따르면, 기둥은 달걀형 단면을 갖는다.
일부 구체예에 따르면, 본 여과 장치는 제2 필터, 제3 필터, 제4 필터, 제3 유동 챔버, 제4 유동 챔버, 제5 유동 챔버, 및 제6 유동 챔버를 추가로 포함한다. 제2 필터는 제1 유동 챔버와 제3 유동 챔버 사이에 배치될 수 있다. 제3 필터는 제4 유동 챔버와 제5 유동 챔버 사이에 배치될 수 있다. 제4 필터는 제4 유동 챔버와 제6 유동 챔버 사이에 배치될 수 있다. 제3 유동 챔버는 제1 단부 및 적어도 하나의 유출구를 포함할 수 있다. 제3 유동 챔버는 제3 유동 챔버의 제1 단부로부터 제3 유동 챔버의 적어도 하나의 유출구 쪽으로 길이를 따라 확장될 수 있다. 제5 유동 챔버는 제1 단부 및 적어도 하나의 유출구를 포함할 수 있다. 제5 유동 챔버는 제5 유동 챔버의 제1 단부에서 제5 유동 챔버의 적어도 하나의 유출구 쪽으로 길이를 따라 확장될 수 있다. 제6 유동 챔버는 제1 단부 및 적어도 하나의 유출구를 포함할 수 있다. 제6 유동 챔버는 제6 유동 챔버의 제1 단부에서 제6 유동 챔버의 적어도 하나의 유출구 쪽으로 길이를 따라 확장될 수 있다. 제4 유동 챔버는 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 유출구를 포함할 수 있다. 제4 유동 챔버의 적어도 하나의 유입구는 제1 유동 챔버의 적어도 하나의 잔존물 유출구, 제2 유동 챔버의 적어도 하나의 여과물 유출구, 및 제3 유동 챔버의 적어도 하나의 유출구와 유체 연결될 수 있다.
일부 구체예에서, 본 여과 장치는 제2 필터 및 제3 유동 챔버를 추가로 포함한다. 제2 필터는 제2 유동 챔버와 제3 유동 챔버 사이에 배치될 수 있다. 제3 유동 챔버는 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 유출구를 포함할 수 있다.
일부 구체예에 따르면, 본 장치는 제1 유동 챔버 및 제4 유동 챔버를 통해 거울면에 대해 실질적으로 대칭적이다.
일부 구체예에 따르면, 제4 챔버는 제4 유동 챔버의 적어도 하나의 유입구와는 다른 담체 유체 유입구를 추가로 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 입자 여과를 위한 방법이 제공된다. 본 방법은 여과 장치를 제공함을 포함한다. 상기 여과 장치는 적어도 하나의 여과 유닛을 포함한다. 각 여과 유닛은 공급물 유입구 및 잔존물 유출구를 포함하는 제1 유동 챔버, 여과물 유출구를 포함한 제2 유동 챔버, 및 물리적 기공 크기를 갖는 복수의 기공을 포함한 필터를 포함하며, 상기 필터는 제1 유동 챔버와 제2 유동 챔버 사이에 배치된다. 본 방법은 공급물 유체 및 상기 공급물 유체에 침지된 물리적 기공 크기를 보다 작은 크기를 갖는 입자의 적어도 하나의 집단(population)을 포함하는 공급물을 공급물 유입구를 통해 장치에 도입하고, 구동력을 가하여 여과 장치를 통해 공급물을 구동시키고, 적어도 하나의 집단의 실질적인 분획의 입자가 제1 유동 챔버에서 잔존물로서 보유되며 실질적인 분획의 공급물 유체가 필터를 통해 여과물로서 제2 유동 챔버로 진행하도록 여과 장치를 통해 공급물을 진행시키고, 잔존물을 잔존물 유출구에서 수집하고, 여과물을 여과물 유출구에서 수집함을 추가로 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 여과 장치를 제공하는 것은 10개 초과의 여과 유닛을 포함한 여과 장치를 제공함을 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 공급물을 장치에 도입하는 것은 세포의 액체 현탁액을 제1 유동 챔버에 도입함을 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 공급물은 살아있는 세포를 포함하며, 본 방법은 세포를 공급물로부터 분리함을 추가로 포함하며, 여기서 살아있는 세포의 적어도 약 90%가 분리 후에 살아있는 상태로 존재한다.
일부 구체예에 따르면, 본 방법은 세포를 공급물로부터 분리함을 추가로 포함하며, 여기서 세포의 약 0.03% 미만은 여과 장치에 의해 용해된다.
일부 구체예에 따르면, 세포의 약 0.03% 미만은 여과 장치에서 트랩핑된다.
일부 구체예에 따르면, 공급물을 여과 장치를 통해 진행시키는 것은 여과 장치를 통해 1초 당 105개 초과의 세포를 진행시킴을 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 공급물을 여과 장치를 통해 진행시키는 것은 여과 장치를 통해 1초 당 106개 초과의 세포를 진행시킴을 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 공급물을 여과 장치를 통해 진행시키는 것은 여과 장치를 통해 1초 당 107개 초과의 세포를 진행시킴을 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 여과 장치를 제공하는 것은 0.8 마이크로리터 보다 작은 부피를 정지 부피(hold up volume)를 갖는 적어도 하나의 여과 유닛을 포함하는 여과 장치를 제공함을 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 여과 장치를 제공하는 것은 풋프린트 구역(footprint area) 및 실질적으로 일정한 챔버 깊이를 갖는 여과 장치를 제공함을 포함하며, 여기서 여과 장치를 통해 공급물을 진행시키는 것은 입방 밀리미터 당 초 당 10,000개 초과의 세포의 정규화된 가공 속도(normalized processing spped)로 여과 장치를 통해 세포를 진행시킴을 포함하며, 여기서 정규화된 가공 속도는 1 초당 여과 장치를 통과하는 세포의 수를 실질적으로 일정한 챔버 깊이와 풋프린트 구역의 곱으로 나눈 것으로서 정의된다.
일부 구체예에 따르면, 여과 장치를 제공하는 것은 풋프린트 구역 및 실질적으로 일정한 챔버 깊이를 갖는 여과 장치를 제공함을 포함하며, 여기서 여과 장치를 통해 공급물을 진행시키는 것은 입방 밀리미터 당 초 당 100,000개 초과의 세포의 정규화된 가공 속도로 여과 장치를 통해 세포를 진행시킴을 포함하며, 여기서 정규화된 가공 속도는 1 초당 여과 장치를 통과하는 세포의 수를 실질적으로 일정한 챔버 깊이와 풋프린트 구역의 곱으로 나눈 것으로서 정의된다.
일부 구체예에 따르면, 특징적인 챔버 깊이, 풋프린트 구역, 및 여과 장치를 제공하는 것은 모듈에 포함된 여과 모듈의 갯수를 특징적인 챔버 깊이 및 풋프린트 구역의 곱으로 나눈 것으로서 정의된 여과 유닛 밀도를 갖는 여과 장치를 제공함을 포함하며, 여기서 여과 유닛 밀도는 입방 센티미터 당 400개 초과의 여과 유닛이다.
일부 구체예에 따르면, 본 장치에 공급물을 도입하는 것은 골수를 포함하는 공급액을 제1 유동 챔버에 도입함을 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 본 장치에 공급물을 도입하는 것은 혈액을 포함하는 공급액을 제1 유동 챔버에 도입함을 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 본 장치에 공급물을 도입하는 것은 제대혈을 포함하는 공급액을 제1 유동 챔버에 도입함을 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 본 장치에 공급물을 도입하는 것은 줄기 세포를 포함하는 공급액을 제1 유동 챔버에 도입함을 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 본 장치에 공급물을 도입하는 것은 콜로니 형성 세포를 포함하는 공급액을 제1 유동 챔버에 도입함을 포함한다. 일부 구체예에 따르면, 공급물을 도입하는 것은 면역 세포를 포함하는 공급액을 제1 유동 챔버에 도입함을 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 본 장치에 공급물을 도입하는 것은 양수를 제1 유동 챔버에 도입함을 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 본 장치에 공급물을 도입하는 것은 소화된 지방 조직을 제1 유동 챔버에 도입함을 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 본 장치에 공급물을 도입하는 것은 세포, 혈액 세포, 제대혈 세포, 골수 세포, 적혈구, 백혈구, 림프구, 상피 세포, 줄기 세포, 암 세포, 종양 세포, 순환 종양 세포, 간세포, 세포 전구체, 제대혈 줄기 세포, 조혈 줄기 세포, 간엽 줄기 세포, 지방 줄기 세포, 다분화능 줄기 세포, 유도된 다분화능 줄기 세포, 배아 줄기 세포, 탯줄로부터 유래된 세포, 지방 조직으로부터 유래된 세포, 지방줄기세포 분획(stromal vascular fractions: SVF)에서의 세포, 양수 중의 세포, 월경혈 중의 세포, 뇌척수액 중의 세포, 소변 중의 세포, 골수 줄기 세포, 말초 혈액 줄기 세포, CD34+ 세포, 콜로니 형성 세포, T 세포, B 세포, 신경 세포, 면역 세포, 수지상 세포, 거핵세포, 고정화된 골수 세포, 혈소판, 정자, 난자, 난모 세포, 세균, 미생물, 박테리아, 균류, 효모, 원생동물, 바이러스, 세포 기관, 핵, 핵산, 미토콘드리아, 마이셀, 지질, 단백질, 단백질 복합물, 세포 파편, 기생충, 지방 소적, 다세포 유기체, 포자, 조류, 클러스터, 상술된 것들의 응집물, 산업 분말, 폴리머, 분말, 에멀젼, 소적, 더스트(dust), 미소구체, 입자, 및 콜로이드를 제1 유동 챔버에 도입함을 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 공급물은 약 5 ㎛ 내지 약 30 ㎛의 크기를 갖는 입자를 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 본 방법은 세포, CD34+ 세포, 지방줄기세포 분획, 줄기 세포, 간세포, 콜로니 형성 세포, 조혈 줄기 세포, 지방 줄기 세포, 간엽 줄기 세포, 양막 줄기 세포, 유핵 세포, 백혈구, 림프구, 암 세포, 종양 세포, 수지상 세포, 죽은 세포, 살아있는 세포, 분할 세포, 망상 적혈구, 적혈구, 지방 세포, 및 지방 소적 중 하나를 포함하는 잔존물 입자를 수집함을 추가로 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 잔존물 입자를 수집하는 것은 세포를 수집함을 포함하며, 여기서 잔존물 중의 세포의 약 95% 초과가 생존 가능하다.
일부 구체예에 따르면, 본 방법은 세포, CD34+ 세포, 지방줄기세포 분획, 줄기 세포, 간세포, 콜로니 형성 세포, 조혈 줄기 세포, 지방 줄기 세포, 간엽 줄기 세포, 양막 줄기 세포, 혈장, 혈소판, 적혈구, 유핵 세포, 백혈구, 림프구, 암 세포, 종양 세포, 수지상 세포, 죽은 세포, 살아있는 세포, 분할 세포, 망상 적혈구, 적혈구, 지방 세포, 및 지방 소적(fat droplet) 중 하나를 포함하는 여과물을 수집함을 추가로 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 여과물을 수집하는 것은 세포를 수집함을 포함하며, 여기서 여과물 중의 세포의 약 95% 초과가 생존 가능하다.
일부 구체예에 따르면, 본 방법은 물리적 기공 크기보다 현저히 작은 보유 크기를 갖는 여과 장치를 제공함을 추가로 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 제대혈 부피를 감소시키는 방법이 제공된다. 본 방법은 유핵 세포의 적어도 하나의 집단을 갖는 제대혈을 포함하는, 샘플 부피를 갖는 샘플을 입수함을 포함한다. 본 방법은 여과 장치를 제공함을 추가로 포함한다. 여과 장치는 제1 수집 용기, 제2 수집 용기, 공급물 도달 수단, 및 적어도 세 개의 여과 유닛을 포함한다. 각 여과 유닛은 공급물 유입구, 잔존물 유출구, 및 여과물 유출구를 포함하는 마이크로유체 유동 챔버를 갖는다. 마이크로유체 유동 챔버는 약 1 밀리미터 보다 작은 이의 길이에 대해 수직인 적어도 하나의 치수를 포함한다. 공급물 유입구는 공급물 도달 수단과 유체 소통한다. 잔존물 유출구는 제1 수집 용기와 유체 연결된다. 여과물 수출구는 제2 수집 용기와 유체 연결된다. 본 방법은 공급물 도달 수단을 이용하여 여과 유닛의 공급물 유입구에 샘플을 도입하고, 구동력을 상기 샘플에 가하고, 상기 샘플을 여과 장치의 마이크로유체 유동 챔버를 통해 진행시키고, 샘플 부피의 실질적인 부분을 여과물 유출구로 향하게 하고 유핵 세포의 적어도 하나의 집단의 실질적인 부분을 잔존물 유출구로 향하게 하는 층류 조건(laminar flow condition)을 생성시키고, 제1 수집 용기에서 잔존물 유출구로부터의 유체 유출물을 수집하고, 제2 수집 용기에서 여과물 유출구로부터의 유체 유출물을 수집함을 추가로 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 잔존물 유출구로부터의 유체 유출물은 제1 수집 용기에서 샘플 부피의 25% 미만의 부피 중의 샘플로부터 유핵 세포의 70% 초과를 수집함을 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 유핵 세포의 적어도 하나의 집단은 CD34+ 세포를 포함하며, 잔존물 유출구로부터 유체 유출물을 수집하는 것이 제1 수집 용기에 샘플로부터의 CD34+ 세포의 75% 초과를 수집함을 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 본 방법은 샘플로부터 살아있는 세포를 분리시킴을 추가로 포함하며, 여기서 살아있는 세포의 적어도 약 95%는 분리 후에 살아있는 상태로 존재한다.
일부 구체예에 따르면, 샘플을 입수하는 것은 약 95% 초과의 생존력의 제대혈 유핵 세포를 포함하는 샘플을 입수하는 것을 포함하며, 여기서 잔존물 유출구로부터의 유체 유출물을 수집하는 것은 약 95% 초과의 생존력의 유핵 세포를 수집함을 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 샘플을 마이크로유체 유동 챔버를 통해 진행시키는 것은 여과 장치를 통해 초당 10,000,000개 초과의 혈액 세포를 진행시킴을 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 입자 여과 장치가 제공된다. 입자 여과 기구는 공통의 공급물 유입구, 공통의 여과물 유출구, 공통의 잔존물 유출구, 및 적어도 하나의 고밀도 모듈 장치를 포함한다. 적어도 하나의 고밀도 모듈 장치는 복수의 여과 유닛을 포함한다. 각 여과 유닛은 공급물 유체에 공급물 입자를 포함하는 공급물을 수용하도록 구성된 적어도 하나의 유입구, 및 적어도 하나의 잔존물 유출구, 근위 단부 및 적어도 하나의 여과물 유출구를 갖는 원위 단부를 포함하는 제2 유동 챔버, 및 제1 유동 챔버와 제2 유동 챔버 사이에 위치된 제1 필터를 포함한다. 제1 필터는 제1 열의 기둥, 및 기둥의 열의 인접한 기둥 사이의 간격에 의해 한정된 복수의 기공을 포함한다. 복수의 기공의 각 기공은 기공을 한정하는 인접한 기둥들 사이의 거리에 의해 규정된 물리적 기공 크기를 포함한다. 입자 여과 기구는 복수의 여과 유닛을 통해 공급물을 이동시키기 위한 수단을 추가로 포함한다. 제1 유동 챔버, 제2 유동 챔버, 필터 및 복수의 여과 유닛을 통해 공급물을 이동시키기 위한 수단은 기공의 유효 기공 크기보다 작은 보유 크기를 가지고 제1 유동 챔버에서 잔존물로서 보유 크기보다 큰 크기를 갖는 공급물 입자의 실질적인 부분을 보유하고 여과물을 공급물 유체의 실질적인 부분을 제2 유동 챔버로 진행시키도록 구성된다. 복수의 여과 유닛의 적어도 하나의 유입구 각각은 공통의 공급물 유입구와 유체 소통한다. 복수의 여과 유닛의 적어도 하나의 여과물 유출구 각각은 공통의 여과물 유출구와 유체 소통한다. 복수의 여과 유닛의 적어도 하나의 잔존물 유출구 각각은 공통의 잔존물 유출구와 유체 소통한다.
일부 구체예에 따르면, 입자 여과 기구는 튜브, 튜브 캡, 및 튜브 삽입체를 추가로 포함한다. 고밀도 모듈 장치는 튜브 삽입체 내에 탑재되도록 구성될 수 있다. 튜브는 튜브 삽입체를 수용하도록 구성될 수 있다. 튜브 삽입체는 공통의 공급물 유입구와 유체 연결된 공급물 저장소를 포함할 수 있다. 튜브 캡은 튜브와 튜브 삽입체를 커버하도록 구성될 수 있다.
일부 구체예에 따르면, 튜브는 고밀도 모듈 장치로부터 농축액을 수용하도록 구성된다. 튜브 삽입체는 고밀도 모듈 장치로부터 여과물을 수용하도록 구성된 여과물 저장소를 추가로 포함할 수 있다.
일부 구체예에 따르면, 튜브는 고밀도 모듈 장치로부터 여과물을 수용하도록 구성된다. 튜브 삽입체는 고밀도 모듈 장치로부터 잔존물을 수용하도록 구성된 잔존물 저장소를 추가로 포함할 수 있다.
일부 구체예에 따르면, 튜브 삽입체는 담체 유체를 적어도 하나의 제1 유동 챔버의 유입구에 공급하도록 구성된 담체 유체 저장소를 추가로 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 입자 여과 기구는 공통의 잔존물 유출구와 유체 연결된 잔존물 수집 백, 및 공통의 여과물 유출구와 유체 연결된 여과물 수집 백을 추가로 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 입자 여과 기구는 적어도 하나의 제1 유동 챔버의 유입구와 유체 연결된 공통의 담체 유체 유입구를 추가로 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 입자 여과 기구는 담체 유체를 담체 유체 공통 유입구에 공급하도록 구성된 담체 유체 용기를 추가로 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 입자 여과 기구는 공급물 수집 백과 공통의 공급물 유입구 간에 유체 연결을 수립하도록 구성된 어댑터를 추가로 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 입자 여과 기구는 공통의 공급물 유입구와 유체 연결된 공급물 수집 백을 추가로 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 공급물 수집 백은 공급물을 공급물 수집 백으로 빼내도록 구성된 적어도 하나의 니들을 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 공급물 수집 백은 항혈액응고제를 함유한다.
일부 구체예에 따르면, 공급물 수집 백은 유체를 함유한다.
일부 구체예에 따르면, 입자 여과 기구는 공통의 공급물 유입구와 유체 소통되고 유체 저장소로서 구성된 제1 웰(well), 공통의 잔존물 유출구와 유체 소통되고 유체 저장소로서 구성된 제2 웰, 및 공통의 여과물 유출구와 유체 소통되고 유체 저장소로서 구성된 제3 웰을 추가로 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 제1 웰, 제2 웰, 및 제3 웰은 다중-웰 플레이트 포맷으로 구성된다.
일부 구체예에 따르면, 입자 여과 기구는 적어도 하나의 제1 유동 챔버의 유입구와 유체 소통되고 담체 유체를 적어도 하나의 제1 유동 챔버에 공급하도록 구성된 제4 웰을 추가로 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 입자 여과 기구는 제1 웰, 제2 웰, 및 제3 웰 중 적어도 하나를 둘러싸도록 구성된 캡을 추가로 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 캡은 공기 및 증기에 대해 실질적으로 불투과성이고 제1 웰, 제2 웰, 및 제3 웰 중 적어도 하나를 시일링하도록 구성된 호일을 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 제1 웰, 제2 웰 및 제3 웰 중 적어도 하나는 유체를 함유한다.
일부 구체예에 따르면, 복수의 여과 유닛의 각 여과 유닛은 1 마이크로리터 미만의 정지 부피를 갖는다.
일부 구체예에 따르면, 고밀도 모듈 장치는 입방 센티미터 당 500개 초과의 여과 유닛의 여과 유닛 밀도를 갖는다.
일부 구체예에 따르면, 고밀도 모듈 장치는 30개 초과의 여과 유닛을 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 고밀도 모듈 장치는 약 0.5 ㎜-2 초과의 디자인 효율 지수를 갖는다.
일부 구체예에 따르면, 고밀도 모듈 장치는 약 5 ㎜-2 초과의 디자인 효율 지수를 갖는다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 필터 장치가 제공된다. 본 필터 장치는 입자를 포함한 공급물을 도입하도록 구성된 적어도 하나의 유입구 및 공급물의 잔존물을 수집하도록 구성된 적어도 하나의 잔존물 유출구를 포함하는 제1 유동 챔버를 포함한다. 필터 장치는 제1 단부 및 적어도 하나의 여과물 유출구를 포함하는 제2 유동 챔버를 추가로 포함하며, 상기 적어도 하나의 여과물 유출구는 여과물을 수집하도록 구성되어 있다. 필터 장치는 제1 필터를 추가로 포함한다. 제1 필터는 물리적 기공 크기 및 물리적 기공 크기보다 작은 보유 크기를 갖는 복수의 기공을 포함한다. 제1 필터는 제1 유동 챔버와 제2 유동 챔버 사이에 배치된다. 제1 유동 챔버, 제2 유동 챔버 및 제1 필터는 물리적 기공 크기보다 작고 보유 크기보다 큰 입자의 보유률(retention rate)을 실질적으로 증가시키는 유동 조건(flow condition)을 촉진시키도록 구성된다.
일부 구체예에 따르면, 필터 장치는 "여과물 챔버 팽창 기준"을 만족하도록 구성된다.
일부 구체예에 따르면, 제2 유동 챔버의 측벽의 접선과 제1 필터의 접선 t사이의 각도는 약 5도 미만이다.
일부 구체예에 따르면, 보유 크기는 기공의 물리적 기공 크기의 약 90% 보다 작다.
일부 구체예에 따르면, 필터 장치는 제1 유동 챔버의 적어도 하나의 유입구에서 부피 유속의 약 3% 미만의 부피 유속에서 각 기공을 통해 유체를 흐르게 하도록 구성된다.
일부 구체예에 따르면, 필터 장치는 약 10 초과의 폭에 대한 길이의 비율을 갖는다.
일부 구체예에 따르면, 제1 유동 챔버는 실질적으로 제1 일정 깊이를 갖는다. 제2 유동 챔버는 실질적으로 제2 일정 깊이를 가질 수 있으며, 제2 유동 챔버의 폭은 제2 유동 챔버의 제1 단부에서 제2 유동 챔버의 적어도 하나의 여과물 유출구 쪽으로 팽창할 수 있다.
일부 구체예에 따르면, 필터 장치는 실질적으로 일정한 유속에서 제1 챔버를 통해 유체를 흐르게 하도록 구성된다.
일부 구체예에 따르면, 필터 장치는 실질적으로 일정한 유속에서 제2 챔버를 통해 유체를 흐르게 하도록 구성된다.
일부 구체예에 따르면, 필터 장치는 실질적으로 동일한 유속에서 실질적으로 모든 기공을 통해 유체를 흐르게 하도록 구성된다.
일부 구체예에 따르면, 제1 필터는 기둥의 열을 포함하며, 여기서 제1 필터의 기공은 기둥의 열의 인접한 기둥 사이에 유체 통로를 포함하며, 기둥의 열은 장치에서 모든 기둥의 10% 이상의 기둥을 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 제1 챔버는 적어도 하나의 유입구와는 다르고 담체 유체를 제1 유동 챔버로 도입하도록 구성된 적어도 하나의 담체 유체 유입구를 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 필터 장치에는 장치를 통한 유로를 따라, 0.5 ㎛ 보다 작은 곡률 반경을 갖는 임의의 리딩 에지가 존재하지 않는다.
일부 구체예에 따르면, 기공의 제1 서브세트는 기공의 제2 서브세트와는 상이한 물리적 기공 크기를 갖는다.
일부 구체예에 따르면, 제2 유동 챔버의 적어도 하나의 여과물 유출구는 기공의 제1 서브세트를 통과한 여과물을 수집하도록 구성되며, 여기서 제2 유동 챔버는 기공의 제2 서브세트를 통과한 여과물을 수집하도록 구성된 제2 여과물 유출구를 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 필터 장치는 제2 필터 및 제3 유동 챔버를 추가로 포함하며, 여기서 제2 필터는 제1 유동 챔버와 제3 유동 챔버 사이에 배치되며, 제3 유동 챔버는 적어도 하나의 유출구를 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 필터 장치는 약 5 보다 큰 폭에 대한 길이의 비율을 갖는다.
일부 구체예에 따르면, 제1 필터는 제1 열의 기둥을 포함한다. 제1 필터의 기공은 제1 열의 기둥의 인접한 기둥 사이에 유체 통로를 포함할 수 있다. 제2 필터는 제2 열의 기둥을 포함할 수 있다. 제2 필터의 기공은 제2 열의 기둥의 인접한 기둥 사이에 유체 통로를 포함할 수 있다. 제1 열의 기둥 및 제2 열의 기둥은 필터 장치에서 모든 기공의 10% 이상을 포함할 수 있다.
일부 구체예에 따르면, 필터 장치는 제1 유동 챔버의 중앙을 통해 진행하는 거울면에 대해 실질적으로 대칭적이다.
일부 구체예에 따르면, 필터 장치는 제2 필터 및 제3 유동 챔버를 추가로 포함하며, 여기서 제2 필터는 제2 유동 챔버와 제3 유동 챔버 사이에 배치되며, 제3 유동 챔버는 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 유출구를 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 필터 장치는 제2 필터, 제3 유동 챔버 및 제4 유동 챔버를 추가로 포함하며, 여기서 제2 필터는 제3 유동 챔버와 제4 유동 챔버 사이에 배치되며, 제3 유동 챔버는 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 유출구를 포함하며, 제4 유동 챔버는 적어도 하나의 유출구를 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 필터 장치는 약 6,000개 미만의 기둥을 갖는다.
일부 구체예에 따르면, 제1 필터 및 제2 필터는 장치에 포함된 기공의 10% 이상을 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 제3 유동 챔버의 적어도 하나의 유입구는 제2 유동 챔버의 적어도 하나의 여과물 유출구와 유체 연결된다.
일부 구체예에 따르면, 제3 유동 챔버의 적어도 하나의 유입구는 제1 유동 챔버의 적어도 하나의 잔존물 유출구와 유체 연결된다.
일부 구체예에 따르면, 제3 유동 챔버의 적어도 하나의 유입구는 제1 유동 챔버의 적어도 하나의 유출구와 및 제2 유동 챔버의 적어도 하나의 유출구와 유체 연결된다.
일부 구체예에 따르면, 제3 유동 챔버는 적어도 하나의 유입구와는 다르고 담체 유체를 도입하도록 구성된 적어도 하나의 담체 유체 유입구를 추가로 포함한다.
일부 구체예에 따르면, 제3 유동 챔버의 적어도 하나의 유출구는 제1 필터로부터의 잔존물을 수집하도록 구성된다. 제3 유동 챔버는 적어도 하나의 유출구와는 다른 제2 유출구를 추가로 포함할 수 있다. 제3 유동 챔버의 제2 유출구는 제2 필터로부터의 잔존물을 수집하도록 구성될 수 있다.
일부 구체예에 따르면, 제3 유동 챔버의 적어도 하나의 유출구는 제1 필터로부터의 농축액 및 제2 필터로부터의 잔존물을 수집하도록 구성된다.
일부 구체예에 따르면, 제3 유동 챔버의 적어도 하나의 유출구는 제1 필터로부터의 잔존물 및 제2 필터로부터의 잔존물을 수집하도록 구성된다. 제3 유동 챔버는 적어도 하나의 유출구와는 다른 제2 유출구를 추가로 포함할 수 있다. 제3 유동 챔버의 제2 유출구는 제1 필터로부터의 여과물을 수집하도록 구성될 수 있다.
첨부된 도면은 축적 비율에 맞게 그려지도록 의도되지 않았으며, 요소의 갯수(예를 들어, 기둥의 갯수)는 가독성(legibility)을 위하여 실제 구체예에서 존재하는 것보다 감소될 수 있다. 도면에서, 여러 도면에 예시된 각 동일하거나 거의 동일한 구성성분은 동일한 숫자로 표시된다. 명확하게 하기 위하여, 모든 도면에서 모든 구성성분을 숫자로 표기하지 않을 수 있다.
도 1a 내지 도 1g는 입자 분리를 위한 다양한 방법을 나타낸 개략적 다이아그램이다. 도 1a는 작은 기공으로부터 큰 입자의 배제를 도시한 것이다. 도 1b는 부분적으로 기공에 들어가지만 기공을 통해 압박(squeeze)되지 않을 수 있는 큰 입자의 변형을 도시한 것이다. 도 1c는 좁은 개구로 진입하고 기공 내에 트랩핑된 입자를 도시한 것이다. 도 1d는 기공에 트랩핑된 입자를 도시한 것이다. 도 1e는 크기 배제의 실패를 도시한 것이다. 이러한 다이아그램에서, 입자가 기공 보다 작기 때문에 입자는 기공을 통과한다. 도 1f는 크기 배제의 다른 실패를 도시한 것이다. 이러한 경우에, 입자가 변형하고 기공을 통해 압박될 수 있기 때문에 입자는 기공을 통과한다. 도 1g는 크기 배제의 다른 실패를 도시한 것이다. 이러한 경우에, 유로가 물리적으로 제한된 기공과 마주치도록 제공되지 않기 때문에 입자는 여과되지 못한다.
도 2a 및 도 2b는 개략적 다이아그램이다. 도 2a는 혈액 순환의 미세 모세관에서 관찰된 유동 배제 효과(flow exclusion effect)를 도시한 것이다. 도 2b는 유동 배제를 위한 가능한 매커니즘을 도시한 것이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 구체예에서 유동 배제 원리를 예시한 개략적 다이아그램이다.
도 4는 기공을 통한 흐름에 따라 유효 기공 크기를 도시한 그래프이다. 유효 기공 크기는 유체 동적 시뮬레이션을 계산함으로써 계산되었다.
도 5a 내지 도 5f는 필터 모듈 구체예를 도시한 개략적 다이아그램이다. 도 5a는 평면도 개략적 다이아그램을 도시한 것이다. 도 5b는 3차원 결합도를 제공한도. 도 5c는 3차원 분해도를 제공한다. 도 5d는 1 보다 작은 종횡비를 갖는 기둥을 도시한 3차원 도면을 제공한다. 필터 모듈 구체예의 뚜껑(lid)은 도시되어 있지 않다. 도 5e는 1 보다 큰 종횡비를 갖는 기둥을 도시한 3차원 도면을 제공한다. 본 구체예의 뚜껑은 도시되어 있지 않다. 도 5f는 뾰족한 기둥(tapered pillar)를 도시한 3차원 도면을 제공한다. 본 구체예의 뚜껑은 도시되어 있지 않다.
도 6a 및 도 6b는 두 개의 필터 모듈 구체예의 평면도를 제공한 개략적 다이아그램이다.
도 7a 및 도 7b는 필터 모듈 구체예를 도시한 개략적 다이아그램이다. 도 7a는 필터 모듈 구체예의 평면도를 제공한다. 도 7b는 필터 모듈 구체예의 평면도를 제공한다. 도 7c는 도 7a에 도시된 필터 모듈의 유효 기공 크기를 도시한 그래프이다. 도 7d는 도 7b에 도시된 필터 모듈의 유효 기공 크기를 도시한 그래프이다.
도 8은 상이한 기공 크기를 갖는 필터 모듈 구체예의 3차원 도면을 제공한 개략적 다이아그램이다. 모듈의 뚜껑은 도시되어 있지 않다.
도 9a 내지 도 9h는 필터 모듈 구체예의 일부의 평면도를 제공한 개략적 다이아그램이다. 도 9a는 물결형 여과물 챔버를 도시한 것이다. 도 9b 내지 도 9h는 기둥의 다양한 단면 형태를 도시한 것이다.
도 10a 내지 도 10c는 잔존물 챔버 보다 얇은 여과물 챔버를 갖는 필터 모듈을 도시한 개략적 다이아그램이다. 도 10a 및 도 10b는 각각 평면도 및 3차원 도면이다. 모듈의 뚜껑은 도시되어 있지 않다. 도 10c는 모듈에서 이동하는 입자를 도시한 것이다.
도 11a 및 도 11b는 스크린 필터를 포함하는 필터 모듈의 3차원 결합도 및 3차원 분해도를 도시한 두 개의 개략적 다이아그램이다.
도 11c 및 도 11d는 다공성 막 필터를 포함하는 필터 모듈의 3차원 결합도 및 3차원 분해도를 도시한 두 개의 개략적 다이아그램이다.
도 12는 필터 모듈의 평면도를 도시한 개략적 다이아그램이다.
도 13은 담체 흐름(carrier flow)을 이용한 필터 모듈의 평면도를 도시한 개략적 다이아그램이다.
도 14a 및 도 14b는 두 개의 이중 필터 모듈의 평면도를 도시한 개략적 다이아그램이다.
도 15a 및 도 15b는 두 개의 이중 필터 모듈의 평면도를 도시한 것이다.
도 16a 및 도 16b는 두 개의 다중 필터 모듈의 평면도를 도시한 것이다.
도 17a 내지 도 17d는 개략적 다이아그램이다. 도 17a는 두 개의 실질적으로 동일한 필터 모듈을 포함하는 필터 캐스케이드 모듈(filter cascade module)의 평면도를 제공한다. 도 17b는 두 개의 실질적으로 동일한 이중 필터 모듈을 포함한 필터 캐스케이드 모듈의 평면도를 제공한다. 도 17c 및 도 17d는 각각 두 개의 이중 필터 모듈을 포함한 두 개의 필터 캐스케이드 모듈의 평면도를 제공한다.
도 18a 내지 도 18c는 상이한 필터 모듈을 포함한 필터 캐스케이드 모듈의 평면도를 제공한 개략적 다이아그램이다. 도 18d는 정성적 여과 특징을 나타낸 그래프이다.
도 19a 및 도 19b는 상이한 이중 필터 모듈을 포함한 필터 캐스케이드 모듈의 평면도를 도시한 것이다.
도 20a 및 도 20b는 개략적 다이아그램이다. 도 20a는 두 개의 상이한 필터 모듈을 포함한 필터 캐스케이드 모듈의 평면도를 제공한다. 도 20b는 단순화된 필터 캐스케이드 모듈의 평면도를 제공한다. 도 20c는 정성적 여과 특징을 도시한 그래프이다.
도 21a 및 도 21b는 두 개의 이중 필터 모듈의 평면도를 제공한 개략적 다이아그램이다.
도 22a 및 도 22b는 두 개의 이중 필터 캐스케이드 모듈 구성의 평면도를 제공한 개략적 다이아그램이다.
도 23a 내지 도 23c는 세 개의 이중 필터 모듈 구성의 평면도를 제공한 개략적 다이아그램이다. 도 23d는 다중 필터 모듈을 도시한 개략적 다이아그램이다. 도 23e는 도 23c에 도시된 두 개의 이중 필터 모듈을 포함한 필터 캐스케이트 모듈을 도시한 개략적 다이아그램이다.
도 24a 내지 도 24f는 개략적 다이아그램이다. 도 24a 내지 도 24d 및 도 24f는 고밀도 모듈 장치의 평면도를 제공한다. 도 24e는 고밀도 모듈 장치의 3차원 도면이다. 장치의 뚜껑은 도시되어 있지 않다.
도 25는 네 개의 고밀도 모듈 장치의 스택 및 뚜껑을 포함하는 장치의 3차원 결합도 및 3차원 분해도를 도시한 개략적 다이아그램이다.
도 26a 내지 도 26e는 카트리지의 개략적 다이아그램이다. 도 26a는 카트리지의 3차원 결합도를 도시한 개략적 다이아그램이다. 도 26b는 카트리지의 정면도를 도시한 개략적 다이아그램이다. 도 26c는 카트리지의 측면도를 도시한 개략적 다이아그램이다. 도 26d는 카트리지의 3차원 분해도를 도시한 개략적 다이아그램이다. 도 26e는 카트리지의 측면 분해도를 도시한 개략적 다이아그램이다.
도 27a 내지 도 27c는 백 시스템의 개략적 다이아그램이다.
도 28은 백 시스템의 개략적 다이아그램이다.
도 29a 및 도 29b는 튜브 시스템의 3차원 결합도 및 3차원 분해도를 각각 도시한 개략적 다이아그램이다.
도 30a 내지 도 30g는 튜브 삽입체의 개략적 다이아그램이다. 도 30a는 튜브 삽입체의 3차원 도면을 도시한 개략적 다이아그램이다. 도 30b는 튜브 삽입체의 단면도를 도시한 개략적 다이아그램이다. 도 30c, 30d, 30e, 30f 및 30g는 각각 튜브 삽입체의 평면도, 정면도, 측면도, 후면도, 및 저면도를 도시한 개략적 다이아그램이다.
도 31a 내지 도 31c는 플레이트 시스템의 개략적 다이아그램이다. 도 31a는 플레이트 시스템의 3차원 도면을 도시한 개략적 다이아그램이다. 도 31b는 플레이트 시스템의 3차원 분해도를 도시한 개략적 다이아그램이다. 도 31c는 플레이트 시스템의 측면도를 도시한 개략적 다이아그램이다.
도 32a 내지 도 32d는 플레이트 시스템의 개략적 다이아그램이다. 도 32a는 플레이트 시스템의 3차원 도면을 도시한 개략적 다이아그램이다. 도 32b, 32c, 및 32d는 각각 플레이트 시스템의 평면도, 측면도 및 정면도를 도시한 개략적 다이아그램이다.
도 33은 고밀도 모듈 장치를 이용한 전체 말초 혈액으로부터의 백혈구 분리의 실험 결과를 나타낸 표이다.
도 34a 및 도 34b는 말초 혈액으로부터 림프구를 분리하는 실험에서 사용되는 잔존물 및 혈액 샘플에서의 백혈구(WBC), 적혈구(RBC) 및 혈소판(PLT) 크기 분포를 나타낸 히스토그램이다. 도 34c는 다양한 세포 타입의 계수를 나타낸 표이다. 도 34d는 고밀도 모듈 장치의 성능을 나타낸 표이다.
도 35a 내지 도 35c는 고밀도 모듈 장치를 이용한 제대혈 부피 감소의 실험 결과를 나타낸 표이다.
도 1a 내지 도 1g는 입자 분리를 위한 다양한 방법을 나타낸 개략적 다이아그램이다. 도 1a는 작은 기공으로부터 큰 입자의 배제를 도시한 것이다. 도 1b는 부분적으로 기공에 들어가지만 기공을 통해 압박(squeeze)되지 않을 수 있는 큰 입자의 변형을 도시한 것이다. 도 1c는 좁은 개구로 진입하고 기공 내에 트랩핑된 입자를 도시한 것이다. 도 1d는 기공에 트랩핑된 입자를 도시한 것이다. 도 1e는 크기 배제의 실패를 도시한 것이다. 이러한 다이아그램에서, 입자가 기공 보다 작기 때문에 입자는 기공을 통과한다. 도 1f는 크기 배제의 다른 실패를 도시한 것이다. 이러한 경우에, 입자가 변형하고 기공을 통해 압박될 수 있기 때문에 입자는 기공을 통과한다. 도 1g는 크기 배제의 다른 실패를 도시한 것이다. 이러한 경우에, 유로가 물리적으로 제한된 기공과 마주치도록 제공되지 않기 때문에 입자는 여과되지 못한다.
도 2a 및 도 2b는 개략적 다이아그램이다. 도 2a는 혈액 순환의 미세 모세관에서 관찰된 유동 배제 효과(flow exclusion effect)를 도시한 것이다. 도 2b는 유동 배제를 위한 가능한 매커니즘을 도시한 것이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 구체예에서 유동 배제 원리를 예시한 개략적 다이아그램이다.
도 4는 기공을 통한 흐름에 따라 유효 기공 크기를 도시한 그래프이다. 유효 기공 크기는 유체 동적 시뮬레이션을 계산함으로써 계산되었다.
도 5a 내지 도 5f는 필터 모듈 구체예를 도시한 개략적 다이아그램이다. 도 5a는 평면도 개략적 다이아그램을 도시한 것이다. 도 5b는 3차원 결합도를 제공한도. 도 5c는 3차원 분해도를 제공한다. 도 5d는 1 보다 작은 종횡비를 갖는 기둥을 도시한 3차원 도면을 제공한다. 필터 모듈 구체예의 뚜껑(lid)은 도시되어 있지 않다. 도 5e는 1 보다 큰 종횡비를 갖는 기둥을 도시한 3차원 도면을 제공한다. 본 구체예의 뚜껑은 도시되어 있지 않다. 도 5f는 뾰족한 기둥(tapered pillar)를 도시한 3차원 도면을 제공한다. 본 구체예의 뚜껑은 도시되어 있지 않다.
도 6a 및 도 6b는 두 개의 필터 모듈 구체예의 평면도를 제공한 개략적 다이아그램이다.
도 7a 및 도 7b는 필터 모듈 구체예를 도시한 개략적 다이아그램이다. 도 7a는 필터 모듈 구체예의 평면도를 제공한다. 도 7b는 필터 모듈 구체예의 평면도를 제공한다. 도 7c는 도 7a에 도시된 필터 모듈의 유효 기공 크기를 도시한 그래프이다. 도 7d는 도 7b에 도시된 필터 모듈의 유효 기공 크기를 도시한 그래프이다.
도 8은 상이한 기공 크기를 갖는 필터 모듈 구체예의 3차원 도면을 제공한 개략적 다이아그램이다. 모듈의 뚜껑은 도시되어 있지 않다.
도 9a 내지 도 9h는 필터 모듈 구체예의 일부의 평면도를 제공한 개략적 다이아그램이다. 도 9a는 물결형 여과물 챔버를 도시한 것이다. 도 9b 내지 도 9h는 기둥의 다양한 단면 형태를 도시한 것이다.
도 10a 내지 도 10c는 잔존물 챔버 보다 얇은 여과물 챔버를 갖는 필터 모듈을 도시한 개략적 다이아그램이다. 도 10a 및 도 10b는 각각 평면도 및 3차원 도면이다. 모듈의 뚜껑은 도시되어 있지 않다. 도 10c는 모듈에서 이동하는 입자를 도시한 것이다.
도 11a 및 도 11b는 스크린 필터를 포함하는 필터 모듈의 3차원 결합도 및 3차원 분해도를 도시한 두 개의 개략적 다이아그램이다.
도 11c 및 도 11d는 다공성 막 필터를 포함하는 필터 모듈의 3차원 결합도 및 3차원 분해도를 도시한 두 개의 개략적 다이아그램이다.
도 12는 필터 모듈의 평면도를 도시한 개략적 다이아그램이다.
도 13은 담체 흐름(carrier flow)을 이용한 필터 모듈의 평면도를 도시한 개략적 다이아그램이다.
도 14a 및 도 14b는 두 개의 이중 필터 모듈의 평면도를 도시한 개략적 다이아그램이다.
도 15a 및 도 15b는 두 개의 이중 필터 모듈의 평면도를 도시한 것이다.
도 16a 및 도 16b는 두 개의 다중 필터 모듈의 평면도를 도시한 것이다.
도 17a 내지 도 17d는 개략적 다이아그램이다. 도 17a는 두 개의 실질적으로 동일한 필터 모듈을 포함하는 필터 캐스케이드 모듈(filter cascade module)의 평면도를 제공한다. 도 17b는 두 개의 실질적으로 동일한 이중 필터 모듈을 포함한 필터 캐스케이드 모듈의 평면도를 제공한다. 도 17c 및 도 17d는 각각 두 개의 이중 필터 모듈을 포함한 두 개의 필터 캐스케이드 모듈의 평면도를 제공한다.
도 18a 내지 도 18c는 상이한 필터 모듈을 포함한 필터 캐스케이드 모듈의 평면도를 제공한 개략적 다이아그램이다. 도 18d는 정성적 여과 특징을 나타낸 그래프이다.
도 19a 및 도 19b는 상이한 이중 필터 모듈을 포함한 필터 캐스케이드 모듈의 평면도를 도시한 것이다.
도 20a 및 도 20b는 개략적 다이아그램이다. 도 20a는 두 개의 상이한 필터 모듈을 포함한 필터 캐스케이드 모듈의 평면도를 제공한다. 도 20b는 단순화된 필터 캐스케이드 모듈의 평면도를 제공한다. 도 20c는 정성적 여과 특징을 도시한 그래프이다.
도 21a 및 도 21b는 두 개의 이중 필터 모듈의 평면도를 제공한 개략적 다이아그램이다.
도 22a 및 도 22b는 두 개의 이중 필터 캐스케이드 모듈 구성의 평면도를 제공한 개략적 다이아그램이다.
도 23a 내지 도 23c는 세 개의 이중 필터 모듈 구성의 평면도를 제공한 개략적 다이아그램이다. 도 23d는 다중 필터 모듈을 도시한 개략적 다이아그램이다. 도 23e는 도 23c에 도시된 두 개의 이중 필터 모듈을 포함한 필터 캐스케이트 모듈을 도시한 개략적 다이아그램이다.
도 24a 내지 도 24f는 개략적 다이아그램이다. 도 24a 내지 도 24d 및 도 24f는 고밀도 모듈 장치의 평면도를 제공한다. 도 24e는 고밀도 모듈 장치의 3차원 도면이다. 장치의 뚜껑은 도시되어 있지 않다.
도 25는 네 개의 고밀도 모듈 장치의 스택 및 뚜껑을 포함하는 장치의 3차원 결합도 및 3차원 분해도를 도시한 개략적 다이아그램이다.
도 26a 내지 도 26e는 카트리지의 개략적 다이아그램이다. 도 26a는 카트리지의 3차원 결합도를 도시한 개략적 다이아그램이다. 도 26b는 카트리지의 정면도를 도시한 개략적 다이아그램이다. 도 26c는 카트리지의 측면도를 도시한 개략적 다이아그램이다. 도 26d는 카트리지의 3차원 분해도를 도시한 개략적 다이아그램이다. 도 26e는 카트리지의 측면 분해도를 도시한 개략적 다이아그램이다.
도 27a 내지 도 27c는 백 시스템의 개략적 다이아그램이다.
도 28은 백 시스템의 개략적 다이아그램이다.
도 29a 및 도 29b는 튜브 시스템의 3차원 결합도 및 3차원 분해도를 각각 도시한 개략적 다이아그램이다.
도 30a 내지 도 30g는 튜브 삽입체의 개략적 다이아그램이다. 도 30a는 튜브 삽입체의 3차원 도면을 도시한 개략적 다이아그램이다. 도 30b는 튜브 삽입체의 단면도를 도시한 개략적 다이아그램이다. 도 30c, 30d, 30e, 30f 및 30g는 각각 튜브 삽입체의 평면도, 정면도, 측면도, 후면도, 및 저면도를 도시한 개략적 다이아그램이다.
도 31a 내지 도 31c는 플레이트 시스템의 개략적 다이아그램이다. 도 31a는 플레이트 시스템의 3차원 도면을 도시한 개략적 다이아그램이다. 도 31b는 플레이트 시스템의 3차원 분해도를 도시한 개략적 다이아그램이다. 도 31c는 플레이트 시스템의 측면도를 도시한 개략적 다이아그램이다.
도 32a 내지 도 32d는 플레이트 시스템의 개략적 다이아그램이다. 도 32a는 플레이트 시스템의 3차원 도면을 도시한 개략적 다이아그램이다. 도 32b, 32c, 및 32d는 각각 플레이트 시스템의 평면도, 측면도 및 정면도를 도시한 개략적 다이아그램이다.
도 33은 고밀도 모듈 장치를 이용한 전체 말초 혈액으로부터의 백혈구 분리의 실험 결과를 나타낸 표이다.
도 34a 및 도 34b는 말초 혈액으로부터 림프구를 분리하는 실험에서 사용되는 잔존물 및 혈액 샘플에서의 백혈구(WBC), 적혈구(RBC) 및 혈소판(PLT) 크기 분포를 나타낸 히스토그램이다. 도 34c는 다양한 세포 타입의 계수를 나타낸 표이다. 도 34d는 고밀도 모듈 장치의 성능을 나타낸 표이다.
도 35a 내지 도 35c는 고밀도 모듈 장치를 이용한 제대혈 부피 감소의 실험 결과를 나타낸 표이다.
본 명세서는 본 출원에서 하기 상세한 설명에서 기술되거나 도면에서 예시되는 구성성분들의 구성 및 배열의 세부항목으로 한정되지 않는다. 본 명세서는 다른 구체예들을 들 수 있고 다양한 방식으로 실행되거나 수행될 수 있다. 또한, 본원에서 사용되는 어법 및 용어는 설명을 위한 것으로서 한정하는 것으로서 여겨지지 않을 것이다. "포함하는," "갖는," "함유하는," "수반하는" 및 본원에서의 이들의 변형예는 하기에 기술된 항목들, 및 이의 균등물 뿐만 아니라 추가 항목들을 포함하는 의미를 갖는다.
본 발명의 양태 및 구체예는 입자 여과를 위해 유용할 수 있는 여과 시스템, 및 이러한 여과 시스템을 작동시키는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 양태 및 구체예는 적어도 부분적으로, 유동 배제를 이용하고 고용량, 고처리량, 낮은 입자 손상, 낮은 전단, 및 입자 및 생물학적 샘플의 막힘 방지(clogging resistant) 여과를 제공하는 장치의 발견을 기초로 한 것이다. 또한, 본 발명은 규소 및 플라스틱을 포함하지만 이로 제한되지 않는 저렴한 재료를 이용하여 콤팩트한 장치로서 용이하게 제작될 수 있는 방법 및 장치를 제공한다.
본원에서 제공된 범위는 범위 내의 모든 수치를 약칭하는 것으로 이해된다. 예를 들어, 1 내지 50의 범위는 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 또는 50으로 이루어진 군으로부터의 임의의 숫자, 숫자들의 조합, 또는 서브-범위를 포함하는 것으로 이해된다.
문맥으로부터 상세하게 기술되거나 명확하지 않는 한, 본원에서 사용되는 용어 "또는"은 포괄적인(inclusive) 것으로 이해된다. 문맥으로부터 상세하게 기술되거나 명확하지 않는 한, 본원에서 사용되는 단수명사는 단수형 또는 복수형를 포함하는 것으로 이해된다.
문맥으로부터 상세하게 기술되거나 명확하지 않는 한, 본원에서 사용되는 용어 "약"은 당해 분야에서 일반적인 허용 오차의 범위 내, 예를 들어 평균의 2 표준 편차 내로서 이해된다. 약은 기술된 수치의 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0.5%, 0.1%, 0.05%, 또는 0.01% 내로서 이해될 수 있다. 문맥으로부터 달리 명확하지 않는 한, 본원에서 제공된 모든 수치는 용어 약에 의해 한정된다.
본원에서 변수의 임의의 정수에서 화학적 기의 리스팅의 기술은 이러한 변수의 정의를 기술된 기들의 임의의 단일 기 또는 이들의 조합으로서 포함한다. 본원에서 변수 또는 양태에 대한 구체예의 기술은 임의의 단일 구체예로서 또는 임의의 다른 구체예 또는 이의 일부와의 조합으로서의 구체예를 포함한다.
본원에서 제공된 임의의 조성물 또는 방법은 본원에서 제공된 다른 조성물 및 방법 중 임의의 것의 하나 이상과 조합될 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "입자"는 세포, 혈액 세포, 제대혈 세포, 골수 세포, 적혈구, 백혈구, 림프구, 상피 세포, 줄기 세포, 암 세포, 종양 세포, 순환 종양 세포, 간세포, 세포 전구체, 제대혈 줄기 세포, 조혈 줄기 세포, 간엽 줄기 세포, 지방 줄기 세포, 다분화능 줄기 세포, 유도된 다분화능 줄기 세포, 배아 줄기 세포, 탯줄로부터 유래된 세포, 지방 조직으로부터 유래된 세포, 지방줄기세포 분획(SVF)에서의 세포, 양수 중의 세포, 월경혈 중의 세포, 뇌척수액 중의 세포, 소변 중의 세포, 골수 줄기 세포, 말초 혈액 줄기 세포, CD34+ 세포, 콜로니 형성 세포, T 세포, B 세포, 신경 세포, 면역 세포, 수지상 세포, 거핵세포, 고정화된 골수 세포, 바르톤 젤리(Wharton's jelly) 줄기 세포, 진핵 세포, 원핵 세포, 동물 세포, 혈소판, 정자, 난자, 난모 세포, 세균, 미생물, 박테리아, 균류, 효모, 원생동물, 바이러스, 세포 기관, 핵, 핵산, 미토콘드리아, 마이셀, 지질, 단백질, 단백질 복합물, 세포 파편, 기생충, 지방 소적, 다세포 유기체, 포자, 조류, 클러스터 or 상술된 것들의 응집물, 뿐만 아니라 유체에 현탁된 다른 비-생물학적 입자, 예를 들어 산업 분말, 폴리머, 분말, 에멀젼, 소적, 더스트, 미소구체, 및 콜로이드를 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. 입자는 강성이거나 변형가능할 수 있고, 다양한 크기 및 형태를 가질 수 있다. 입자는 크기의 범위일 수 있으며, 예를 들어 약 50 ㎚ 내지 약 1 ㎜의 최대 치수를 가질 수 있다. 입자의 형태는 직사각형, 구형, 디스크형, 박스형, 로드형, 나선형 또는 사슬 또는 상술된 것들의 집합일 수 있지만, 이로 제한되지 않는다. 본 발명의 구체예는 큰 전단 응력에 대해 변형가능하거나, 부서지기 쉽거나 연약한 입자를 여과하는데 유용할 수 있다.
"기계적 성질"은 물리적 치수, 크기, 형태, 변형성, 가요성, 신축성, 밀도, 점도, 강성, 및 상기 특징들의 공간적 분포 또는 시간 반응을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다.
본원에서 사용되는 용어 "크기 배제"는 물리적 차단(blocking)에 의해 진입 또는 통과를 방해하거나 제한함을 포함한다. 크기 배제의 일 구체예는 큰 비-변형성 입자(001)가 기공에 진입하고 필터(003)을 통과하는 것을 방지하기 위해 작은 기공(002)을 사용한다(도 1a). 크기 배제의 다른 구체예는 변형성 입자(001)가 개구(002)로 압착되고 이를 통과하는 것을 방지하기 위해 작은 개구를 사용한다(도 1b). 크기 배제의 또 다른 구체예는 도 1c에 도시되어 있는데, 여기서 입자(001)는 기공(002)의 넓은 개구로 진입할 수 있고 기공(002)의 좁은 부분에서 움직일 수 없게 한다. 크기 배제의 또 다른 구체예는 도 1d에 도시되어 있다. 입자(001)는 기공(002)으로 진입할 수 있고, 필터(003) 내측에 트랩핑된다.
본원에서 사용되는 용어 "크기 배제"는 또한 "물리적 제한"을 포함한다. 도 1e, 1f 및 1g는 입자가 필터에 의해 크기 배제되지 않거나 물리적으로 제한되지 않는 예를 도시한 것이다. 입자(001)는 기공(002)에 의해 배제되기에 너무 작을 수 있다(도 1e). 입자(001)는 또한 변형 가능하여 구동력 하에서 기공(002)을 통해 압착될 수 있다(도 1f). 도 1g에서, 입자(001)는, 이러한 것들이 입자를 트랩핑할 수 있는 기공(002)의 좁은 부분으로 이동하지 않도록 접선 힘(tangential force)(004)에 의해 구동된다. 도 1e, 1f 및 1g에서의 입자는 크기 배제되거나 필터에 의해 물리적으로 제한되는 것으로 여져지지 않는다.
본원에서 사용되는 용어 "여과"는 일반적으로 필터를 사용하거나 사용하지 않는 입자 분리 장치에서, 입자 분리, 분획, 입자 단리(particle isolation), 세척, 농축(concentration), 농화(enrichment), 정제 및/또는 완충제 교환을 포함하지만 이로 제한되지 않는다. "여과"는 또한 하나 이상의 입자 집단의 일부 또는 전부 제거 또는 보유를 칭한다. 본원에서 사용되는 용어 "여과"는 또한 세포 분리, 줄기 세포 단리, 백혈구-감소, 백혈구 단리, 암세포 단리, 제대혈 부피 감소, 혈장 스키밍(skimming), 및 지방줄기세포 분획(SVF)의 생성과 같은 특정 적용을 포함한다.
본원에서 사용되는 "필터"는 "기공"이라 불리워지는 다중 개구 또는 유체 통로를 포함하는 구조물을 칭하지만, 이로 제한되지 않는다. 본원에서 사용되는 용어 "기공"은 예를 들어 필터 상 또는 필터에서의 개구 또는 유체 통로를 포함한다. 기공의 단면 형태는 원형, 직사각형, 라운드(round)형, 다각형, 불규칙, 길거나 좁은 형태 또는 슬릿-형일 수 있지만, 이로 제한되지 않는다. 본원에서 사용되는 용어 "기공"은 기둥 사이의 공간을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. 본원에서 사용되는 기공의 일 구체예는 유체 채널에서 두 개의 인접한 기둥 사이의 공간이다. "기공"의 다른 구체예는 유체 채널에서의 둑 구조(weir structure)와 상기 채널의 천장(ceiling) 사이의 갭이다.
필터는 특정 입자의 통과를 일부 또는 완전히 허용하고/거나 통과를 허용하지 않거나 다른 입자의 흐름을 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 본원에서 사용되는 용어 "필터"는 입자가 크기 배제를 기초로 하여 블로킹되거나 분리되는 시브(sieve)로 제한되지 않는다. 본원에서 사용되는 필터의 일 구체예는 장애물 및 기공을 포함한 물리적 구조물을 포함한다. 필터의 다른 구체예는 두 갈래 흐름(bifurcating flow)를 이용한 입자 및 잔존물 입자 보다 큰 입자를 분리시키는 물리적 구조물을 포함한다. 필터의 또 다른 구체예는 유동 힘 또는 유체 역학적 힘을 이용하여 물리적 구조물의 기공 개구 보다 작은 입자를 보유하는 물리적 구조물을 포함한다. 필터의 또 다른 구체예는 수용액에 대한 "기공" 또는 유체 통로의 길을 생성시키기 위해 소수성 표면 상에 친수성 패턴을 포함한다.
본원에서 사용되는 "필터"는 필터를 이용하여 여과를 수행함을 포함한다.
본원에서 사용되는 "잔존물"은 필터에 의해 보유되거나 필터를 통과하지 못하는 입자를 포함한다. 본원에서 사용되는 "잔존물"은 또한 보유된 입자를 포함하는 유체를 포함할 수 있다. 본원에서 사용되는 "잔존물"은 또한 본 발명의 일 구체예에서 필터에 의해 보유된 입자를 포함하는 유체 및 입자 산출물을 칭할 수 있다. 본원에서 사용되는 "잔존물"은 또한 필터 구조물을 포함하거나 포함하지 않을 수 있는, 분리 장치를 이용하여 고려되는 입자를 포함하는 유체 산출물을 칭할 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "여과물"은 필터를 통과한 입자를 포함한다. 본원에서 사용되는 "여과물"은 또한 필터를 통과하는 입자를 함유한 유체를 포함할 수 있다. 본원에서 사용되는 "여과물"은 또한 본 발명의 일 구체예에서 필터를 통과하는 입자를 포함하는 유체 및 입자 산출물을 칭할 수 있다. 본원에서 사용되는 "여과물"은 또한 고려되는 입자가 필터 구조물을 포함하거나 포함하지 않을 수 있는 분리 장치를 이용하여 일부 또는 전부 제거된 유체를 포함하는 유체 유출물을 칭할 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "공급물"은 여과 공정에 의해 가공되는 입자, 또는 여과 장치에 진입하는 입자를 포함한다. 용어 "공급물"은 또한 여과 공정에 의해 가공되는 입자를 함유하는 유체를 포함할 수 있다. 본원에서 사용되는 용어 "공급물"은 입자, 혈액, 제대혈, 혈청, 지방 조직, 소화된 지방 조직, 지방줄기세포 분획, 양수, 월경혈, 뇌척수액, 젖(milk), 골수, 소변 및 다른 신체 유체를 포함할 수 있지만, 이로 제한되지 않는다.
본원에서 사용되는 용어 "보유률(retention rate)"은 장치에 도입된 필터에 의해 입자가 보유되는 확률을 칭한다. 본원에서 사용되는 용어 입자 집단의 "보유률"은 장치의 잔존물로서 수집되는 입자 집단의 비율을 칭한다. 본원에서 사용되는 용어 유체의 "보유률"은 또한 장치에 의해 잔존물로서 수집되는 유체의 비율을 칭한다. 본원에서 장치는 필터, 여과 모듈, 여과 유닛, 또는 여과 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 실질적으로 균질한 입자 집단의 "보유률"은 얻어진 잔존물 중의 입자의 갯수와 가공되는 공급물 중의 입자의 갯수 간의 비로서 계산될 수 있다. 특정 입자 집단의 보유률은 여과 공정에서 잔존물로서 수집되는 공급물 중의 이러한 집단의 비율을 칭할 수 있다. "보유률"은 또한 "회수 수율(recovery yield)" 또는 "캐리오버(carryover)"로서 칭할 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "물리적 기공 크기"는 기공의 물리적 간격의 크기를 칭한다. 실제로, 기공의 "물리적 기공 크기"는 필수적으로, "단부가 막힌(dead-ended)" 여과 구성 하에서 실질적인 물리적 제한 또는 크기 배제 없이 기공을 통과할 수 있는, 비-변형성 구체, 예를 들어 폴리머 미소구체의 최대 직경으로서 측정될 수 있다. 예를 들어, 50 ㎛ 깊이 마이크로유체 채널에서 10 ㎛ 이격된 두 개의 기둥의 간격을 포함하는 기공은 10 ㎛의 물리적 기공 크기를 갖는다. 유사하게, 막에서 5 ㎛ 직경의 원형 홀을 포함하는 기공은 5 ㎛의 물리적 기공 크기를 갖는다. 기공이 슬릿(slit)을 포함하는 경우에, 물리적 기공 크기는 실질적으로 슬릿의 폭이다. 단부가 막힌 여과는 하기 문헌에서 광범위하게 기술되어 있다[Zeman, L. J. et al. "Microfiltration and Ultrafiltration" Marcel Dekker, Inc., ISBN 0-8247-9735-3, p.328-331 (1996), 상기 문헌의 단부가 막힌 여과의 기술된 설명은 본원에 참고로 포함된다].
본원에서 사용되는 기공의 "유효 기공 크기"는 고려되는 유동 조건 하에서 기공에 의해 실질적으로 보유될 수 있는 비-변형성 구체, 예를 들어 폴리머 미소구체의 최소 직경을 칭한다. 유효 기공 크기는 실험적으로 측정되고 결정될 수 있다. 예를 들어, 기공의 베이스라인 보유률은 유동 배제 없이, 고려되는 유동 조건 하에서 기공을 통과할 때 유동 스트림라인을 실질적으로 이동하는 작은 비-변형성 구체를 이용하여 수립될 수 있다. 보다 큰 비-변형성 구체는 실질적으로 동일한 작동 조건 하에서 베이스라인 보다 큰 보유률에서 기공에 의한 유동 배제로 인해 보유될 수 있다. 베이스라인 보다 실질적으로 높은, 예를 들어 베이스라인 보다 40%, 50%, 60%, 80%, 90%, 98%, 99%, 또는 100% 큰 보유률에서 보유될 수 있는 가장 작은 비-변형성 구체의 직경은 기공의 "유효 기공 크기"로서 칭하여진다. 유효 기공 크기를 측정할 때, 사용되는 입자는 하기 특징들을 갖는 것이 바람직하다: (a) 입자는 실질적으로 구체이다. (b) 입자는 실질적으로 비-변형성이고 강성이다. (c) 입자는 실질적으로 단일 입자 현탁액으로 현탁된다. (d) 입자 현탁액은 묽고 실질적으로 입자-입자 상호작용이 존재하지 않는다. (e) 입자는 실질적으로 고려되는 시간에 걸쳐 가라앉지 않는다. (f) 입자는 유체 패널 또는 필터 표면에 실질적으로 점착되지 않거나 이를 오염시키지 않는다. (g) 입자는 전기적 전하, 점착성, 친화력 또는 자기력으로 인해 서로 또는 유체 채널, 필터 표면 또는 기공과 상호작용하지 않는다. 상기 입자 특징은 제한적인 의미를 갖지 않는 것으로 이해된다.
본원에서 사용되는 장치의 "보유 크기"는 실질적으로 동일한 작동 조건에서 장치를 이용하여 가공된 유체의 보유률 보다 실질적으로 큰, 예를 들어 약 40%, 50%, 60%, 80%, 90%, 98%, 99%, 또는 100% 큰 보유률을 갖는, 비-변형성 구체, 예를 들어 폴리머 미소구체의 최소 직경을 칭한다. 장치의 보유 크기는 실험적으로 측정되고 결정될 수 있다. 예를 들어, 유체의 보유률은 한 세트의 작업 조건 하에서 유체의 유동 운동을 실질적으로 추적하는 작은 비-변형성 구체를 이용하여 베이스라인으로서 수립될 수 있다. 유체 중에서 혼합된 보다 큰 비-변형성 구체는 실질적으로 동일한 작업 조건 하에서 베이스라인 보다 큰 보유률을 가질 수 있다. 베이스라인 보다 실질적으로 큰, 예를 들어 베이스라인 보다 약 40%, 50%, 60%, 80%, 90%, 98%, 99%, 또는 100% 큰 보유률을 갖는 가장 작은 비-변형성 구체의 직경은 장치의 "보유 크기"로서 특징된다. 본원에서 장치는 필터, 여과 모듈, 여과 유닛, 또는 여과 시스템을 포함할 수 있다. 보유 크기를 측정할 때, 사용되는 입자는 하기 특징들을 가질 수 있다: (a) 입자는 실질적으로 구체이다. (b) 입자는 실질적으로 비-변형성이고 강성이다. (c) 입자는 실질적으로 단일 입자 현탁액으로 현탁된다. (d) 입자 현탁액은 묽고 실질적으로 입자-입자 상호작용이 존재하지 않는다. (e) 입자는 실질적으로 고려되는 시간에 걸쳐 가라앉지 않는다. (f) 입자는 유체 패널 또는 필터 표면에 실질적으로 점착되지 않거나 이를 오염시키지 않는다. (g) 입자는 전기적 전하, 점착성, 친화력 또는 자기력으로 인해 서로 또는 유체 채널, 필터 표면 또는 기공과 상호작용하지 않는다. 상기 입자 특징은 제한적인 의미를 갖지 않는 것으로 이해된다.
본원에서 사용되는 용어 "유동 배제"는 물리적 기공 크기보다 실질적으로 작은 유효 기공 크기를 달성하기 위해 기공 둘레에 유체 유동 조건을 이용하는 것을 칭한다. 본원에서 사용되는 용어 "유동 배제"는 또한 필터의 구성 기공의 물리적 기공 크기보다 실질적으로 작은 보유 크기를 달성하기 위해 필터 둘레에 유치 유동 구성을 이용하는 것을 칭한다.
상기 정의는 본 명세서의 사상을 전달하기 위한 의미를 갖는 것으로 인식되지만, 제한적인 것으로 의도되지 않는다.
입자 여과 장치
본 발명의 양태 및 구체예는 (a) 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 유출구를 갖는 제1 유동 챔버, (b) 적어도 하나의 유출구를 갖는 제2 유동 챔버, 및 (c) 복수의 기공, 예를 들어 적어도 10개의 기공을 포함하는 필터를 포함하는 입자 여과용 장치를 제공한다. 여기서, 필터는 제1 유동 챔버와 제2 유동 챔버 사이에 배치되고, 약 10 ㎚ 내지 약 10 ㎜의 물리적 기공 크기를 갖는다. 제1 유동 챔버 및 제2 유동 챔버는, 필터 기공의 유효 기공 크기가 물리적 기공 크기보다 실질적으로 작은, 예를 들어 이 보다 최대 약 95% 작다. 본 장치는 예를 들어 규소, 유리 또는 플라스틱을 포함하는 물질로 제조될 수 있다. 일부 구체예는, 입자가 어떠한 날카로운 에지를 부딪히지 않도록 구성될 수 있으며, 이는 손상을 감소시킨다.
본 발명의 양태 및 구체예에 따른 입자 여과 장치는 여러 상이한 방식으로 구성될 수 있다. 일부 구체예에서, 제1 유동 챔버는 담체 유체를 도입하기 위해 사용될 수 있는 적어도 하나의 유입구를 갖는다. 다른 구체예는 제2 필터 및 제3 유동 챔버는 포함하며, 여기서 상기 제2 필터는 상기 제1 유동 챔버와 상기 제3 유동 챔버 사이에 배치되며, 상기 제3 유동 챔버는 적어도 하나의 유출구를 포함한다. 또 다른 구체예는 제2 필터, 및 제2 필터가 제2 유동 챔버와 제3 유동 챔버 사이에 배치되도록 적어도 하나의 유출구를 갖는 제3 유동 챔버를 포함한다.
일부 구체예에서, 입자는 하기 중 적어도 하나에 의해 장치를 통해 구동된다: 유체 유동, 수력 유동, 압력 강하, 수압, 압력 소스, 진공, 헤드 높이, 중력, 원심력, 전기장, 전기영동장, 동전기력, 전기-삼투력, 모세관 작용 또는 상기한 것들의 조합. 일부 구체예에서, 입자("공급물 입자")는 초당 적어도 약 100개의 공급 입자, 예를 들어 적어도 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 1010, 1012, 또는 1015의 속도로 장치를 통과하거나 이를 통해 가공된다. 일부 구체예에서, 본 장치는 500 nl, 200 nl, 100 nl, 50 nl, 20 nl 또는 10 nl 보다 작은 정지 부피를 갖는다. 일부 구체예에서, 입자는 입자에 손상을 미치지 않는 전단 응력을 견딘다.
필터의 구체예는 여러 방식으로 형성될 수 있다. 일부 구체예에서, 필터는 하나 이상의 열의 기둥 또는 돌출부를 갖는다. 기둥 또는 돌출부는 다양한 형태 및 크기를 가질 수 있다. 다른 구체예에서, 적어도 두 개의 열의 기둥 또는 돌출부가 존재한다. 본 발명의 다른 구체예는 기공을 포함하는 막으로부터 형성된 필터를 제공한다. 본 발명의 또 다른 구체예는 스크린 필터로부터 형성된 필터를 제공한다. 일부 구체예에서, 필터는 입자가 어떠한 날카로운 에지와도 부딪히지 않아서 입자에 대한 손상 가능성이 감소되거나 제거되도록 구성된다. 이는 입자가 살아있는 세포 또는 아폽프토성 세포일 때 중요할 수 있다.
본 발명의 일부 구체예에서, 필터는 유효 기공 크기가 이들의 물리적 기공 크기에 비해 적어도 약 0.5 ㎛ 만큼 작은 기공을 포함한다. 다른 구체예에서, 유효 기공 크기는 물리적 기공 크기의 95% 보다 작다. 또 다른 구체예에서, 유효 기공 크기는 물리적 기공 크기보다 실질적으로 작을 수 있으며, 예를 들어 유효 기공 크기는 물리적 기공 크기의 약 75%, 약 60%, 약 50%, 약 30%, 약 10%, 또는 약 5%이다. 또 다른 구체예에서, 보유 크기는 물리적 기공 크기에 비해 실질적으로 작을 수 있으며, 예를 들어, 유효 기공 크기는 물리적 기공 크기의 약 90%, 약 75%, 약 60%, 약 50%, 약 30%, 약 10%, 또는 약 5%일 수 있다. 또 다른 구체예에서, 입자는 장치를 통한 이의 통과 동안에 약 5,000개 이하의 기공을 마주친다.
본 발명의 양태 및 구체예는 폐수에서 발견된 단순하거나 복잡한 퇴적물, 손상물(detriment), 또는 중금속 오염물 또는 오일, 바이오연료 등과 같은 천연 발생 또는 합성 유체에서 발견된 다양한 오염물과 같은 여러 타입의 입자를 여과, 분리, 분획, 가공, 농축 또는 단리시키기 위해 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 일부 양태 및 구체예는 건강하거나, 병에 걸리거나, 성장하거나, 죽어가거나 죽은 세포와 같은 다수의 상이한 타입의 세포를 여과하기 위해 임상적 목적으로 사용될 수 있다. 세포 타입의 예는 혈액 세포, 줄기 세포, 조혈 줄기 세포, 간세포, 간엽 줄기 세포, 지방 줄기 세포, CD34+ 세포, 종양 세포, 골수 세포, 제대혈 세포, 림프구, 백혈구, 암 세포, 뇌척수액 세포, 양수 세포, 바르톤 젤리 줄기 세포, 진핵 세포, 원핵 세포, 동물 세포, 지방줄기세포 분획 세포, 탯줄 유래 세포, 간 세포, 신경 세포 및 면역 세포이다. 다른 세포 타입은 박테리아성 세포, 효모 세포 및 비정상 세포를 포함한다.
본 발명의 양태 및 구체예는 혈액, 제대혈, 혈청, 지방 조직, 소화된 지방 조직, 지방줄기세포 분획, 양수, 월경혈, 뇌척수액, 젖, 골수 및 소변과 같은 여러 타입의 유체를 가공, 여과, 분리 또는 분획시키기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 양태 및 구체예는 또한 상술된 하나 이상의 장치와 같은 장치를 이용하여 입자를 여과하는 방법을 포함한다. 본 방법의 일부 구체예에서, 공급물 입자는 유입구(들)를 경유하여 장치의 제1 유동 챔버로 도입되며, 구동력은 장치를 통해 입자를 나아가게 하기 위해 입자에 가해진다. 잔존물 입자는 제1 유동 챔버의 유출구(들)로부터 수집되며, 여과물 입자는 제2 및/또는 제3 유동 챔버의 유출구로부터 수집된다. 일부 구체예에서, 담체 유체는 적어도 하나의 유입구를 경유하여 장치의 제1 유동 챔버로 도입된다.
유동 배제 원리
여과는 크기 배제 대신에 흐름 분기(flow bifurcation)를 이용하여 일어날 수 있다. 상세하게, 작은 입자는 특정 흐름 배열 하에서 큰 필터 기공에 의해 보유될 수 있다. 작은 입자가 유동에 의해 큰 기공에 진입하는 것으로부터 배제되기 때문에, 본원에서 이러한 효과는 "유동 배제"로서 칭하여진다. 유동 배제 효과는 1921년 초반에 미세 순환(microcirculation), 즉 극히 작은 혈관에서의 혈액 흐름에서 관찰되었다[Krogh, A. "Studies on the Physiology of Capillaries: II. The Reactions to Local Stimuli of the Blood-vessels in the Skin and Web of the Frog" J. Physiol. 55(5-6): 412-422 (1921); Fahraeus, R. "The Suspension Stability of the Blood" Physiological Reviews 9: 241-274 (1929)]. 작은 혈관이 두 개의 혈관으로 분기될 때, 흐름 패턴이 크기 배제를 선호하도록 변경되는 경우에, 낮은 유속의 혈관으로 세포가 진입하는 것을 방지하는 물리적 제한 또는 크기 배제가 존재하지 않는 한, 혈액 세포는 우선적으로 더욱 높은 유속을 갖는 혈관으로 진입할 수 있다(도 2a). 이러한 효과는 세포, 혈관 및 혈류 사이의 복잡한 동적 상호작용 및 힘으로 인하여 일어난다. 유동 배제는, 두 개의 분기에서의 유속이 상당히 다를 때 가장 두드러진다. 또한, 유핵 세포는 제핵 세포, 예를 들어 적혈구 및 혈소판 보다 더욱 현저하게 유동 배제를 나타내는 것으로 나타났다.
미세 모세관에서 관찰된 유동 배제를 설명하기 위한 시도로 개발된 상이한 이론들이 존재한다[Krogh, A. "Studies on the Physiology of Capillaries: II. The Reactions to Local Stimuli of the Blood-vessels in the Skin and Web of the Frog" J Physiol 55(5-6): 412-422 (1921); Fahraeus, R. "The Suspension Stability of the Blood" Physiological Reviews 9: 241-274 (1929); Svanes, K. et al. "Variations in Small Blood Vessel Hematocrits Produced in Hypothermic Rats by Micro-Occlusion" Microvasc Res. 1: 210-220 (1968); Yen, R. T. et al. "Model Experiments on Apparent Blood Velocity and Hematocrit in Pulmonary Alveoli" J. Appl. Physiol. 35: 510-517 (1973); Mayrovitz, H. N. et al. "Leukocyte distribution to arteriolar branches: dependence on microvascular blood flow" Microvasc Res. 29(3): 282-294 (1985)].
본 발명자들은 나비에르-스토크(Navier-Stokes) 방정식을 고려하는 경우에 이해될 수 있으며, 이러한 방정식은 비압축성 뉴톤성 유체의 유체역학적 거동에 따른다.
상기 식에서, ρ는 유체의 밀도이며, v는 유체의 속도이며, p는 압력이며, μ는 속도이며, f는 외부 체적력, 예를 들어 중력이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 분기 혈관에서 이동하는 단일 세포를 고려한다. 세포의 이동 경로를 분석하기 위하여, 정확한 유체 유동 분포 및 세포 상의 힘이 계산되어야 한다. 이는 흔히 단일 세포의 경우에도, 집중적인 컴퓨터 계산을 요구하는 힘든 작업이다. 이러한 문제점은, 순환 중에 혈액 유동의 경우에서와 같이 다수의 세포가 서로 상호작용할 때 더욱 어렵게 된다. 아마도, 어떻게 유동 배제가 일어나는지에 대한 이해를 얻기 위한 가장 쉬운 방식은 베르누이(Bernoulli)의 원리를 적용하는 것으로서, 이러한 원리는 압력의 감소와 함께 유체의 속도 증가가 동시에 일어남을 기술한 것이다. 두 개의 분기 혈관 사이의 유속 차이로 인하여, 세포는 보다 높은 유속을 갖는 혈관 쪽으로 리프트 힘(lift force)을 경험한다(도 2b). 이러한 리프트 힘은 비록 혈관이 세포의 통과를 가능하게 하기에 물리적으로 충분히 클 수 있지만, 보다 낮은 유속의 혈관으로 세포가 진입하는 것을 방지하거나 막는다. 이에 따라, 유동 배제가 일어난다. 명확하게, 상기 이론은 하기 이유로 지나치게 단순화될 수 있다: (a) 수반되는 유체, 예를 들어 혈액 및 골수는 뉴톤성이 아닐 수 있다. (b) 입자 농도가 너무 높아서 입자-입자 상호작용이 입자의 운동을 지배하는 주요 인자일 수 있다. (c) 수반되는 입자는 동유체력에 반응하여 변형가능하고 가요성이다.
특정 매커니즘 또는 이론으로 제한하고자 하는 것은 아니지만, 본 발명의 양태 및 구체예는 접선 흐름 여과 및 유동 배제 원리에 따라 이해될 수 있다. 본 발명의 일 구체예에서, 큰 기공을 포함한 필터는, 통상적인 접선 흐름 여과와는 반대로, 비교적 작은 입자를 보유하기 위해 사용되며, 여기서 작은 기공은 크기 배제에 의해 큰 입자를 보유하기 위해 사용된다. 본 발명의 일부 구체예의 중요한 장점은 입자 손상 및 필터 막힘의 현저한 감소 또는 제거로서, 이는 고처리량에서 변형 가능하고/거나 부서지기 쉬운 입자의 가공을 가능하게 한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 구체예는 접선 흐름(301), 기둥(302) 및 기공(304)의 배열을 포함하는 필터(306), 및 유동 챔버(303)를 사용할 수 있다(도 3a). 일부 구체예에서, 유동 챔버(303)는, 작업 조건 하에서, 접선 흐름(301)의 단지 작은 분획이 기공(304)을 통해 배출되도록 유체 유동의 방향을 따라 점점 넓어질 수 있다. 유동 챔버(303)가 필터 기하학적 구조와 함께 넓어지는 비율은 각 기공(304)를 통해 배출되는 유동의 양을 결정한다. 챔버(303)가 더욱 크게 팽창할 수록, 기공을 통해 배출되는 유동이 작아진다.
층류 조건(도 3a) 하에서, 혈액 유동이 미세 순환에서 분지 혈관 둘레로 분기하지만, 접선 흐름(301)은 각 기둥(302) 둘레에서 분기한다. 기공(304)으로 진입하는 분지 흐름(305)이 접속 유동(301) 보다 매우 작은 유속을 갖는 경우에, 유동 배제 효과가 일어날 수 있다. 기둥(302)에 의해 흐르는 입자(321)는 입자 상의 유동 배제의 세기에 따라 기공(304)으로 진입하거나 하지 않을 수 있다(도 3b). 상이한 세포 타입이 상이한 유동 배제 효과를 나타내며 유동 배제가 기공을 통한 유속의 함수이기 때문에, 기공(304)에서 유속을 조절함으로써 특정 세포 타입을 분리하는데 유용한 유동 배제 조건을 형성시킬 수 있다. 예를 들어, 림프구(311) 상에서 강력한 유동 배제를 야기시키고 적혈구(312) 상에서 약한 유동 배제를 야기시키는 분기 유동 조건을 형성시키기 위해 점차적으로 넓어지는 유동 챔버(303)를 디자인할 수 있다(도 3c). 그 결과, 림프구(311)는 필터(306)에 의해 보유되며 적혈구(312)는 필터(306)를 통과한다. 유동 배제는 본 발명의 일부 양태 및 구체예에서 입자 여과에 대한 기초로서 사용된다.
본 발명의 일부 양태 및 구체예에서, 기공을 통한 부피 유속은 접선 흐름의 것 보다 매우 작다. 낮은 레이놀드 수 조건의 층류에서 단일 강성 구체 입자의 컴퓨터 유체 동력학 계산을 이용하여, 유효 기공 크기가 특정 디자인에 대해 기공을 통해 배출되는 흐름의 양의 함수로서 추정될 수 있다. 도 4는 도 5a에 도시된 일 구체예에 대한 이러한 계산의 결과를 도시한 것으로서, 이는 30 ㎛의 유동 챔버, 110 ㎛의 공급물 유입구 폭, 30 ㎛의 기둥 직경, 및 40 ㎛의 인접한 기둥 사이의 중심-대-중심 거리를 추정하는데, 이는 약 10 ㎛의 물리적 기공 크기를 초래한다. 각 기공을 통한 유속이 공급물 유입구(502)에서 접선 유속의 약 0.4%일 때, 기공의 유효 기공 크기는 대략 3.8 ㎛으로서, 이는 10 ㎛의 물리적 기공 크기보다 매우 작다. 그러나, 각 기공을 통한 부피 유속이 유입구에서 접선 부피 유속의 약 1.6%일 때, 유효 기공 크기가 대략 물리적 기공 크기와 동일하다는 것이 주지된다. 각 기공을 통한 유속이 유입구에서 접선 유속의 1.6% 보다 클 때, 크기 배제는 입자 분리를 위한 주요한 기초가 되며, 본 장치는 통상적인 여과 장치가 된다. 막관통 압력을 이용하여 크기 배제 기반 분리를 달성하는 통상적인 접선 흐름 여과와는 반대로, 본 발명은 유동 배제 기반 분리를 달성하기 위해 기공 주변의 유속 분포를 이용한다.
상술된 컴퓨터 계산이 이상적이고 과도하게 단순화된 조건(브라운 운동을 가지지 않는 뉴톤성 유체에서의 단일, 강성, 구체 입자) 하에서 유동 배제에 대한 이해를 제공하지만, 본 발명에서 공급물 입자의 여과 공정은 확률에 의해 기술된 바와 같이 실질적으로 확률적일 수 있고, 결정론적이지 않을 수 있다.
특히, 입자-입자 상호작용, 입자 변형, 및 브라운 운동은 입자 상 가해지는 흐름 패턴 및 힘을 변형시켜 유동 배제를 확률적이게 할 수 있다. 이러한 유동 배제의 확률적 특성은 특히 공급물 입자가 복잡한 입자 및 유체, 예를 들어 혈액, 제대혈, 골수, 지방줄기세포 분획 등을 포함할 때 우세하고 매우 실질적일 수 있다. 이러한 실제 샘플의 복잡성을 인식하기 위하여, 제대혈을 고려한다. 통상적인 제대혈 샘플은 밀리미터 당 약 40억개의 적혈구, 10만개의 백혈구, 및 2억개의 혈소판을 함유한다. 이러한 세포는 혈액 부피의 약 40%를 차지하고 이러한 것들이 서로 상호작용할 때 변형된다. 또한, 세포는 중력 하에서 상이한 속도로 퇴적된다. 샘플을 크게, 예를 들어 1,000, 10,000, 100,000 또는 그 이상의 배율로 희석시키지 않는 한, 입자-입자 상호작용은 혈액 세포를 통계학적으로 이동시킬 수 있으며, 본 발명의 일 구체예를 이용하여 특정 세포가 보유될 것인지를 사전에 결정하는 것은 실질적으로 불가능할 수 있다.
물리적 기공 크기 및 유효 기공 크기
필터 및 이의 기공 크기를 특징분석하기 위한 하나의 기술은 강성 구체를 이용한 입자 보유의 측정이다[[Zeman, L. J. et al. "Microfiltration and Ultrafiltration" Marcel Dekker, Inc., ISBN 0-8247-9735-3, p.265-274 (1996)]. 상기 문헌에 기술된 입자 보유 측정의 예는 본원에 참고 문헌으로 포함된다. 이러한 측정을 위해 사용될 수 있는 입자의 예는 락텍스 비드 및 폴리머 미소구체를 포함한다. "물리적 기공 크기," "유효 기공 크기," 및 "보유 크기"는 상술된 바와 같이 이러한 기술을 이용하여 측정되고 특징 분석될 수 있다. 표준물로서 강성 구체를 이용하여, 상이한 필터 및 장치는 이들의 의도된 용도와는 무관하게 특징 분석되고 비교될 수 있다. 예를 들어, 수중에서 박테리아를 제거하기 위한 통상적인 여과 장치는, 박테리아가 혈액 세포와 매우 상이한 크기, 형태, 변형성, 전하, 농도 및 다른 특징들을 가질 수 있지만, 혈액 여과 장치와 비교될 수 있다.
통상적인 크기 배제 여과에서, 기공의 유효 기공 크기는 물리적 기공 크기보다 크거나 실질적으로 동일하며, 필터의 보유 크기는 또한 물리적 기공 크기보다 크거나 실질적으로 동일하다. 반대로, 본 발명의 일부 양태 및 구체예에서, 기공의 유효 기공 크기는 유동 배제를 이용하여, 기공의 물리적 기공 크기보다 작거나 실질적으로 작다(도 4).
장치가 표준 강성 구체를 이용하여 특징 분석되고 비교될 수 있지만, 생물학적 샘플에 대한 본 발명의 실제 구체예는 각 특정 적용을 위해 경험적으로 최적화될 수 있다. 기공의 유효 기공 크기보다 실질적으로 큰 입자는 공정의 입자 변형 또는 확률적 특성으로 인하여 필터를 통과할 수 있다. 이러한 현상은 본원에서 "누출(leakage)"이라 불리운다. 통상적인 필터에서, 유효 기공 크기가 물리적 기공 크기보다 크거나 실질적으로 동일한 경우에, 입자는 누출이 일어날 때, 필터를 막거나 오염시키는 경향이 있다. 변형 가능하고 부서지기 쉬운 입자가 통상적인 필터를 통해 누출될 때, 입자는 큰 전단을 겪을 수 있고 손상되거나 용해되어, 막힘 이외에 상당한 필터 오염을 촉발시킨다. 이는 생물학적 샘플 및 세포를 이용한 적용에 대한 심각한 문제점이다.
본 발명의 일부 양태 및 구체예는 유효 기공 크기보다 실질적으로 큰 기공을 이용하여 필터 오염 및 막힘을 현저하게 감소시키거나 방지하는 방법 및 장치를 포함한다. 또한, 본 발명의 구체예는 유동 배제를 생성시키기 위한 수단으로서 이들의 기공을 통한 낮은 부피 유속을 이용한다. 큰 기공 및 작은 유속의 조합은 기공에서 및 기공 둘레에 촉진되며, 이에 의해 오염, 막힘, 입자 활성화 및 입자 손상 문제를 추가로 감소시킨다.
여과 모듈, 유닛 및 장치
필터 모듈
본 발명의 다른 구체예는 도 5에 도시된 필터 모듈이다. 제1 유동 챔버(501)는 유입구(502) 및 유출구(503)를 갖는다. 공급물 입자, 즉 여과에 의해 가공될 입자는 유입구(502)로 진입하고 구동력을 이용하여 제1 유동 챔버(501)를 통해 유입구에서 유출구 쪽으로 구동된다. 제1 유동 챔버(501)는 기둥(505)의 배열을 포함하는 필터(508)에 의해 제2 유동 챔버(504)로부터 분리되고 이와 유체 연결된다. 기둥들 간의 간격은 필터(508)의 기공(506)을 구성한다. 제2 유동 챔버(504)는 필터(508)를 가로질러 기공(506)을 통해 적은 양의 흐름을 배출시키고 여과물 입자를 수용하고 여과물 유출구(507)를 경우하여 여과물 입자를 수확하도록 배열된다. 각 기공(506)을 통한 유속은 유동 배제를 촉진시키기 위하여 제1 유동 챔버(501)의 유입구(502)에서 유속의 작은 분율, 예를 들어 1/10, 1/20, 1/30, 1/50, 1/100, 1/200, 1/300, 1/500, 1/1,000, 1/2,000, 1/5,000, 1/10,000, 1/20,000, 1/50,000, 또는 1/100,000이도록 디자인된다. 일부 구체예에서, 기공(506)은, 물리적 기공 크기가 유효 기공 크기보다 실질적으로 크도록 크기를 갖는다. 필터(508)의 일부 구체예는 약 10 내지 약 50,000개의 기공(506), 예를 들어 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1,000, 2,000, 5,000, 10,000, 또는 50,000개의 기공을 가질 수 있다. 추가 논의의 편의성을 위하여, 공급물 및 잔존물 입자가 이동하는 제1 유동 챔버(501)는 본원에서 "잔존물 챔버"로서 칭하여지며, 여과물 입자를 이동시키는 제2 유동 챔버(504)는 "여과물 챔버"로서 칭하여진다.
다양한 구체예에서 입자 흐름은 유체 흐름, 구동 압력, 진공, 헤드 높이, 중력, 원심력, 자기력, 미세 모세관 작용, 또는 상기한 것들의 조합을 이용하여 생성될 수 있다. 입자 흐름은 또한 자기장, 전기영동장, 유전이동장, 전기-삼투력, 동전기력, 또는 상기한 힘들의 조합을 이용하여 생성될 수 있다. 이러한 장 또는 힘은 입자를 이동시킬 수 있고, 입자가 함유되어 있는 유체를 이동시키거나 이동시키지 않을 수 있다. 일부 예에서, 이러한 장 또는 힘은 입자가 함유되어 있지 않은 유체를 이동시키지 않으면서 입자를 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 임의의 동전기적 흐름의 부재 하에, 전기영동장은 유체 흐름을 생성시키지 않으면서 본 발명의 장치의 구체예를 통해 하전된 입자를 만들 수 있다. 중력의 경우에, 유체 보다 큰 밀도를 갖는 입자는 유체를 통해 퇴적시킬 수 있다. 다른 경우에서, 유체는 입자와 반대 방향으로 흐를 수 있다. 명확하게, 유동 배제는 이러한 예에서 일어나지 않는다. 그러나, 본 장치 내측에서의 구동력은 유체를 흐르게 할 수 있을 만큼의 자체적인 배제 효과를 생성시킬 수 있다. 이에 따라, 중력, 원심력, 전기장, 전기영동장, 및 동전기력은 또한 입자를 구동시키기 위해 사용될 수 있고, 크기 배제 또는 물리적 제한에 따르지 않는 여과 효과를 달성할 수 있다.
일부 구체예에서, 기둥(505)은 도 5b 및 도 5c에 도시된 바와 같이, 이들의 폭과 유사한 높이를 가질 수 있으며, 이에 의해 1에 가까운 종횡비, 예를 들어 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 또는 1.3의 종횡비를 갖는다. 대안적으로, 기둥(505)은 도 5d에 도시된 바와 같이, 이들의 폭 보다 작은 높이를 가질 수 있으며, 이에 의해 1 보다 실질적으로 작은 종횡비, 예를 들어 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 또는 0.6의 종횡비를 가지거나, 도 5e에 도시된 바와 같이, 폭 보다 큰 높이를 가질 수 있으며, 이에 의해 1 보다 실질적으로 큰 종횡비, 예를 들어 1.5, 2, 3, 5, 8, 10, 20, 100, 500, 2,000, 또는 10,000의 종횡비를 갖는다. 높은 종횡비 기둥 디자인은 보다 높은 용량 및 처리량의 장점을 가지며, 낮은 종횡비 기둥 디자인은 제작의 용이성의 장점을 갖는다. 기둥(505)은 점진적으로 좁아지거나 뾰족해질 수 있다(도 5e). 구배각(draft angle)은 90도에 가까울 수 있으며 예를 들어 80, 85, 87, 88, 또는 89이다. 뽀죡한 기둥은 디몰딩(demolding)을 용이하게 할 수 있고 사출 성형, 엠보싱, 소프트 리소그래피(soft lithography), 또는 어렵지 않은 다른 복제 기술을 이용하여 제작할 수 있다.
일부 구체예에서, 잔존물 챔버(50) 및 여과물 챔버(51)의 측벽은 대략 서로 평행하다(도 5a). 일부 구체예에서, 잔존물 챔버(501)는 실질적으로 일정한 폭을 가질 수 있거나, 점진적으로 넓어질 수 있거나, 점진적으로 좁아질 수 있다(도 6). 잔존물 챔버(501)의 폭의 변경은 챔버(501)에서의 유속 및 얻어진 전단 응력의 변화를 초래할 수 있다. 도 6b에 도시된 구체예에서, 공급물 액체가 여과물 챔버(504)로 끌어들여지기 때문에, 잔존물 챔버(501)에서의 유속은 유체가 유출구(503) 쪽으로 이동함에 따라 점점 더욱 작아진다. 반대로, 도 6a에 도시된 구체예에서, 잔존물 챔버(501)에서의 유체는, 잔존물 챔버(501) 및 여과물 챔버(504)의 전체 단면적이 작아짐에 따라 유출구(503) 쪽으로 가속시킬 수 있다. 여과물 챔버(504)가 보다 넓어지는 정도는 기공(506)을 통해 흡입되는 흐름의 양을 실질적으로 결정할 수 있고, 요망되는 유효 기공 크기에 대해 최적화될 수 있다.
본 발명의 다른 구체예에서, 잔존물 챔버는 유입구 측에서 잔존물 유출구 쪽으로 점점 좁아질 수 있으며, 여과물 챔버는 여과물 유출구 쪽으로 점점 넓어질 수 있다. 높은 유속 및 낮은 전단 응력이 요망되는 적용에 대하여, 잔존물 챔버는 유입구 측에서 넓어지고 유출구 측에서 좁아지는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 구성은 유입구에서 유속을 낮게 유지할 수 있고 잔존물 챔버 전반에 걸쳐 전단 응력을 낮게 유지할 수 있다. 본 발명의 다른 구체예에서, 잔존물 챔버는 유입구 측에서 잔존물 유출구 쪽으로 점진적으로 좁아지고 유체가 유입구에서 유출구 쪽으로 흐름에 따라 잔존물 챔버에서의 평균 유속을 실질적으로 일정하게 유지하도록 구성될 수 있다. 본 발명의 다른 구체예에서, 잔존물 챔버 및 여과물 챔버는, 유체가 유입구에서 유출구 쪽으로 흐를 때, 잔존물 챔버에서의 평균 유속이 실질적으로 일정하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 구체예에서, 필터는 곡선 상에 배열된 기둥을 포함한다(도 7). 필터의 "곡선화(curving)"는 특정 필터 특징을 초래할 수 있다. 즉, 각 기공은 특정 여과 요건을 달성하기 위해 디자인된 상이한 유효 기공 크기를 가질 수 있다. 도 7a에 도시된 구체예에서, 필터(701)는 초기에 여과물 챔버(711)의 측벽(710)과 작은 각을 형성하여, 필터(701)를 가로질러 여과물 챔버가 매우 소량의 흐름을 끌어들이게 한다. 이후에, 필터(702)와 측벽(710) 간의 각도는 기공을 통해 흡입되는 흐름의 양을 증가시키기 위해 더욱 커지며, 이는 보다 큰 유효 기공 크기를 초래한다. 필터(703)와 측벽(710) 사이의 각도는 여과물 유출구(720) 쪽으로 더욱 작아질 수 있으며, 이는 기공을 통해 흡입되는 흐름의 양을 감소시킨다. 도 7b에서, 필터(704)는 특정 필터 특징을 유지하기 위해 디자인된 곡선 상에 배열된 기둥을 포함한다. 유입구(722)에서 유출구(721) 측의 이의 위치에 따른 각 기공의 유효 기공 크기는 도 7a 및 도 7b 각각에 도시된 구체예에 대해 도 7c 및 도 7d에서 정성적으로 도시되어 있다. 고려 중인 특정 적용을 위한 요망되는 필터 특징에 따라, 다른 기둥 배열이 또한 사용될 수 있는 것으로 이해된다.
또 다른 구체예에서, 각 기공을 통한 유속은 필수적으로 동일하다. 또 다른 구체예에서, 각 기공을 통해 흡입된 유속은 접선 흐름의 유속의 최대 분율×보다 작거나 동일하며, 여기서 x는 약 1/5 내지 약 1/100,000 범위이다. 예를 들어, 요망되는 x는 1/5, 1/10, 1/20, 1/50, 1/100, 1/200, 1/500, 1/1,000, 1/2,000, 1/5,000, 1/10,000, 1/20,000, 1/50,000, 또는 1/100,000일 수 있다. 이러한 구체예의 일 예는 도 5에 도시되어 있다. 필터는 약 10 내지 약 100,000개의 기둥, 예를 들어 약 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2,000, 5,000, 10,000, 30,000, 또는 100,000개의 기둥을 포함한다. 기둥 및 여과물 챔버는, 유효 기공 크기가 물리적 기공 크기보다 실질적으로 작은 방식으로 구성된다.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 필터는 도 5, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 동일하게 이격된 기둥의 배열을 포함한다. 본 발명의 또 다른 구체예에서, 기둥은 도 8에 도시된 바와 같이, 불규칙적으로 이격된다. 일부 적용을 위하여, 특저 입자가 물리적으로 큰 기공을 통과하도록 물리적 기공 크기를 다양하게 하는 것이 유리할 수 있다. 기둥은 상이한 단면 형태를 가질 수 있다. 요망되는 단면 형태의 예는, 도 9에 도시된 형태, 예를 들어 라운드(도 9a 및 9b), 오발(oval) 형(도 9c), 타원형(도 9d), 계란형(도 9e 및 9f), 날개형(도 9g) 등을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. 필터는 또한 상이한 형태 및/또는 크기의 기둥을 포함할 수 있다(도 9h). 부서지기 쉬운 입자의 온화한 분리를 위하여, 기둥이 입자와 접촉될 수 있는 날카로운 에지를 가지지 않는 것이 바람직할 수 있다. 날카로운 에지는 부서지기 쉬운 입자를 절개시키거나, 분할시키거나, 용해시킬 수 있다. 날카롭지 않은 기둥 표면이 온화한 여과를 요구하는 여러 적용에서 바람직할 수 있지만, 또한 입자 손상이 관련되지 않는 경우에, 직사각형, 정사각형 또는 다각형 기둥 단면을 사용하는 것이 가능하다.
본 발명의 다른 구체예에서, 여과 챔버(901)는 교대로 오목부 및 볼록부를 포함하는 물결형 측벽(902)를 가지며(도 9a), 물결형 측벽의 시기(period)는 기공(903)의 중심-대-중심 거리와 일치한다. 물결형 측벽은 흐름을 안정화시키는데 도움을 줄 수 있고 작은 유효 기공 크기를 유지시킬 수 있다.
본 발명의 구체예에서, 필터는 특정 필터 특징을 달성하기 위해, 직선 또는 곡선 상에 규칙적이거나 불규칙으로 배열된, 상이한 형태 및 크기의 기둥을 포함할 수 있는 것으로 이해된다.
본 발명의 다른 구체예에서, 여과물 챔버(504)는 잔존물 챔버(501) 보다 얇다(도 10). 이러한 구체예에서, 필터(508)는 인접한 표면(512) 및 기둥(505)을 포함한다. 여과물 챔버(504)는 약간 큰 잔존물 입자(321) 보다 얇을 수 있다(도 10c). 그러나, 잔존물 입자(321)가 물리적 기공으로부터 유동 배제되기 때문에, 이러한 것들은 얇은 여과 챔버(504) 또는 기공의 좁은 부분(571)으로 진입하지 못한다(도 10c). 그 결과, 크기 배제 여과와 관련된 부작용이 이러한 구체예에서 거의 일어나지 않을 수 있다. 이러한 디자인은 필터 구역 또는 깊이를 감소시키지 않으면서 기둥(505)의 종횡비를 감소시키고, 장치 제작을 용이하고 견고하게 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 필터 모듈은 잔존물 챔버(130), 스크린 필터를 포함하는 필터(131), 및 스크린 필터(131)를 가로질러 진행하는 흐름을 조절하는 여과물 챔버(132)를 포함한다(도 11a 및 도 11b). 유동 챔버(130, 132)는 리세스를 포함하는 층(133, 134)을 포함한다. 여과물 챔버(132)는 필터(131)를 통해 소량의 흐름을 흡입하도록 배열된, 층(134)에서 점진적으로 깊어지는 리세스를 포함한다. 필터(131)는 잔존물 챔버 층(133)과 여과물 챔버 층(134) 사이에 샌드위칭된다. 이러한 구체예는 큰 필터 구역에 대해 가능하고, 매우 높은 용량 및 처리량을 달성할 수 있다. 이러한 구체예에 대한 변형예는 잔존물 챔버 층(133)과 여과물 챔버 층(134) 사이에 샌드위칭된 다공성 필터 층(131)을 포함한다(도 11c 및 도 11d). 다공성 필터 층은 예를 들어 트랙 에칭된 막, 또는 레이저 기계가공된 금속 시트 등을 포함할 수 있다. 이러한 층들은 함께 접착되거나, 결합되거나, 단순히 가압될 수 있다(도 11c 및 도 11d). 필터(131) 상의 기공은 도 11a 내지 도 11d에 도시된 바와 같이 규칙적으로 이격될 수 있거나, 방사선 트랙 에칭된 막 필터와 같이 무작위적으로 분포될 수 있다.
본 발명의 상술된 구체예는 입자를 농축시키거나 여과물 입자 집단으로부터 잔존물 입자 집단을 제거하기 위한 장치로서 유용할 수 있다. 그러나, 일부 예에서, 잔존물 집단으로부터 여과물 집단을 감소시키거나 상이한 유체에서 잔존물 입자를 분리시키는 것이 요망될 수 있다.
예를 들어, 일부 예에서, 전혈로부터 유핵 혈액 세포를 분리시키고, 가능한한 많이 제핵 적혈구를 제거하는 것이 요망될 수 있다. 담체 유체(522)는 잔존물 챔버(501)에 도입될 수 있다(도 13). 일 구체예에서, 잔존물 유동 챔버(501)는 적어도 하나의 공급물 유입구(502) 이외에 적어도 하나의 담체 흐름 유입구(521)를 포함한다. 여기서, 담체 유체(522)는 잔존물 챔버(501)로 주입되고 공급물 흐름 스트림(523)과 나란히 층류 스트림(522)을 형성할 수 있다. 층류 조건은 담체 흐름(522) 및 공급물 흐름(523)을 대류 혼합 없이 나란히 이동시킬 수 있다. 두 개의 스트림(522, 523) 사이의 계면은 도 13에서 점선(524)로서 도시되어 있다. 잔존물 입자(531)는 기둥(505)을 포함하는 필터에 의해 보유될 수 있고 공급물 스트림(523)에서 담체 스트림(522)으로 이동될 수 있다. 잔존물 유출구(503)에서, 잔존물 입자(531)는 담체 흐름(522)에 존재하며, 이에 의해 여과물 집단을 실질적으로 제거한다. 요망되는 순도 요건에 따라, 담체 유체 유속은 잔존물 유체 유속 보다 작거나, 동일하거나, 높을 수 있다. 담체 흐름은 본 발명의 임의의 구체예와 유사한 방식으로 적용될 수 있고 임의의 특정 구체예로 한정되지 않는 것으로 이해된다. 담체 흐름은 또한 잔존물 입자를 세척, 처리 또는 표지화(labelling)하기 위해 도입될 수 있다. 일부 구체예에서, 하나 초과의 담체 흐름이 잔존물 입자를 처리하기 위해 도입될 수 있다. 예를 들어, 연속 흐름 방식으로 세포를 표지화하고 세척하기 위한 본 발명의 일부 구체예를 사용할 수 있다. 특정 잔존물 세포에 대한 항체 표지 또는 염색을 함유한 용액은 제1 담체 흐름으로서 공급물 흐름과 나란히 도입될 수 있으며, 세척 용액은 제2 담체 흐름으로서 제1 담체 흐름 다음에 도입될 수 있다. 유동 배제로 인하여, 잔존물 세포는 공급물 흐름을 제1 담체 흐름으로 이동시킬 수 있으며, 여기서 세포는 착색되거나 표지화되고, 이후에 제1 담체 흐름에서 제2 담체 흐름으로 이동할 수 있으며, 여기서 세포는 세척된다. 하나 초과의 유입구는 본 발명의 임의의 구체예에 대해 담체 흐름을 도입하기 위해 잔존물 챔버에서 사용될 수 있다.
이중 필터 모듈
일부 구체예에서, 두 개의 실질적으로 동일한 필터 모듈은 "이중 필터 모듈"을 형성시키기 위해 조합될 수 있다. 일 구체예에서, 두 개의 필터 모듈은 서로에 대해 거울상을 형성할 수 있고 "이중 필터 모듈"을 형성하기 위해 하나의 잔존물 챔버를 공유한다(도 14a). 잔존물 챔버(501)는 적어도 하나의 유입구(502) 및 하나의 유출구(503)를 가질 수 있다. 공급물 입자는 유입구(502)로 진입할 수 있고, 예를 들어, 유체 흐름, 압력 강하, 유체역학적 압력, 압력 소스, 진공, 헤드 높이, 중력, 원심력, 전기장, 전기영동장, 동전기력, 전기-삼투압력, 미세 모세관 작용 또는 상술된 것들의 조합을 이용하여 유동 챔버(501)를 통해 유출구(503) 쪽으로 구동될 수 있다. 잔존물 유동 챔버(501)는 필터(508)에 의해 두 개의 여과물 유동 챔버(504) 각각으로부터 분리될 수 있고, 중심선(514)에 대해 대칭적으로 배열될 수 있다. 필터(508)의 구체예는 약 10 내지 약 100,000개의 기둥(505), 예를 들어 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1,000, 2,000, 5,000, 10,000, 20,000, 또는 100,000개의 기둥의 배열을 포함할 수 있다. 기둥들 사이의 개구는 필터(508)의 기공(506)을 구성할 수 있다. 여과물 유동 챔버(504)는 각 기공(506)을 통해 소량의 흐름을 흡입하고 여과물 유출구(507)를 경유하여 여과물 입자를 제거하도록 디자인될 수 있다. 각 기공(506)을 통한 유속은 유동 배제를 촉진시키기 위해 잔존물 유동 챔버(501)에서 유속의 작은 분율, 예를 들어 1/10, 1/20, 1/30, 1/50, 1/100, 1/200, 1/300, 1/500, 1/1,000, 1/2,000, 1/5,000, 1/10,000, 1/20,000, 1/50,000, 또는 1/100,000 이도록 디자인될 수 있다.
임의의 이중 필터 모듈 구체예에서, 잔존물 챔버는 담체 흐름 유입구(521)를 추가로 포함할 수 있다(도 14b). 담체 흐름(522)은 두 개의 공급물 흐름(523) 사이에 도입될 수 있으며, 이에 따라 잔존물 입자는 잔존물 유출구(503)에서 담체 흐름(522)에서 수확되도록 한다. 이러한 구체예는 고순도의 잔존물 입자를 수득할 수 있다.
이중 필터 모듈의 다른 구체예는 도 15에 도시되어 있으며, 여기서 두 개의 필터 모듈은 거울상을 형성하고 하나의 여과물 챔버를 공유한다. 여과물 유출구(507)를 포함하는 여과물 챔버(504)는 두 개의 잔존물 챔버(501) 사이에 배치될 수 있다. 여과물 챔버(504)는 유동 배제를 촉진시키기 위해 필터(508)에서 각 기공(506)을 통해 소량의 흐름을 흡입할 수 있다. 공급물 흐름은 유입구(502)를 통해 잔존물 챔버(501)로 진입할 수 있다. 잔존물 입자는 잔존물 유출구(503)에서 수확될 수 있으며, 여과물 입자는 여과물 유출구(507)에서 수확될 수 있다. 이러한 구체예는 적어도 하나의 담체 흐름 유입구(521)를 추가로 포함할 수 있다(도 15b). 담체 흐름 스트림(522)은 공급물 흐름 스트림(523)과 나란히 확립될 수 있으며, 이에 따라 잔존물 입자는 담체 흐름 스트림(522)에서 수확되게 할 수 있다. 다시, 담체 흐름은 잔존물 입자의 순도를 증가시킨다.
다중 필터 모듈
두 개의 이중 필터 모듈은 다중 필터 모듈을 형성시키기 위해 잔존물 챔버 또는 여과물 챔버를 추가로 공유할 수 있다(도 16). 도 16a에 도시된 구체예에서, 두 개의 이중 필터 모듈(도 14a)은 여과물 챔버를 공유하고 모듈에서 네 개의 모듈을 갖는 다중 필터 모듈을 형성한다. 또한, 두 개 초과의 이중 필터 모듈은 또한 다중 필터 모듈을 형성시키기 위해 잔존물 챔버 또는 여과물 챔버를 공유할 수 있다(도 16b). 이중 필터 모듈 디자인은 또한 세 개의 필터를 포함하는 다중 필터 모듈을 형성시키기 위해 필터 모듈과 조합될 수 있다. 다중 필터 모듈 디자인은 또한 유사한 방식으로 필터 모듈과 조합될 수 있다.
필터 캐스케이드 모듈
일부 구체예에서, 두 개 이상의 필터 모듈, 이중 필터 모듈, 또는 다중 필터 모듈은 "필터 캐스케이드 모듈"을 형성시키기 위해 일렬로 연결될 수 있다. 도 17a에 도시된 구체예에서, 두 개의 실질적으로 동일한 필터 모듈(171, 172)은 일렬로 연결된다. 제2 모듈(172)의 유입구(177)는 제1 모듈(171)의 유출구(503, 507)와 유체 연결된다. 공급물 입자는 제1 모듈(171)의 유입구(502)에 진입할 수 있고, 제1 필터(173)에 의해 잔존물 및 여과물으로 분리될 수 있다. 본 장치가 층류 조건에서 작동될 때, 잔존물 및 여과물은 분리 후에 대류 혼합 없이 나란히 두 개의 층류 스트림을 형성할 수 있다. 두 개의 입자 스트림이 제2 모듈(172)로 진입함에 따라, 제1 모듈(171)로부터의 여과물은 제2 필터(174)와 마주칠 수 있으며, 이에 의해 일부 입자는 보유될 수 있다. 필터 캐스케이드 모듈(170)의 잔존물은 유출구(503)에서 수집될 수 있다. 전체적으로 필터 캐스케이트 모듈(170)의 여과물은 필터(173, 174) 둘 모두를 통과할 수 있고, 유출구(507)에서 수집될 수 있다. 이러한 구체예는, 제1 필터(173)에 의해 보유되지 않을 수 있는 입자가 제2 필터(174)에 의해 보유될 수 있기 때문에, 잔존물 입자의 회수 수율을 증가시킨다. 유사하게, 두 개 이상의 이중 필터 모듈은 필터 캐스케이드 모듈을 형성시키기 위해 직렬로 조합될 수 있다(도 17b). 제2 모듈(172)의 유입구(177)는 제1 모듈(171)의 유출구(503, 507)와 유체 연결될 수 있다. 두 개 초과의 이중 필터 모듈은 유사한 방식으로 연결될 수 있다. 다른 필터 구성, 에를 들어 다중 필터 모듈은 또한 필터 캐스케이드 모듈을 형성시키기 위해 직렬로 조합될 수 있다.
필터 캐스케이드 모듈을 형성시키기 위해 직렬로 연결되는 필터 모듈, 이중 필터 모듈, 또는 다중 필터 모듈은 실질적으로 동일하거나 동일하지 않을 수 있고, 실질적으로 동일한 유효 기공 크기 또는 보유 크기를 가지거나 가지지 않을 수 있다는 것으로 이해된다. 임의의 필터 캐스케이드 모듈 구체예에서, 모듈의 잔존물 챔버는 담체 흐름 유입구를 추가로 포함할 수 있다. 도 17c는 두 개의 이중 필터 모듈(171, 172)을 포함하는 필터 캐스케이드 모듈 구체예를 도시한 것이다. 이중 필터 모듈(172)은 담체 흐름 유입구(175)를 포함하며, 이는 채널 및 관통 홀(176)을 포함할 수 있다. 도 17d는 두 개의 담체 유체 유입구(521, 175)를 포함하는 두 개의 이중 필터 모듈을 포함하는 필터 캐스케이드 모듈 구체예를 도시한 것이다.
실질적으로 상이한 유효 기공 크기 또는 보유 크기의 상이한 필터 모듈, 이중 필터 모듈, 또는 다중 필터 모듈은 공급물을 다수의 분획으로 분별할 수 있는 필터 캐스케이드 모듈을 형성시키기 위해 조합될 수 있다. 일 구체예에서, 도 18a에 도시된 바와 같이, 캐스케이드 모듈(180)은 제1 필터 모듈(181) 및 제2 모듈(182)을 포함한다. 제1 모듈(181)은 공급물을 위한 유입구(502) 및 본원에서 "분획 1"로서 칭하여지는 제1 잔존물을 위한 유출구(503)를 포함하는 제1 챔버(501)를 포함한다. 제1 필터(508)는 제1 챔버(501)와 제2 챔버(504) 사이에 배치된다. 제2 챔버는 유동 배제를 촉진시키기 위해 제1 필터(508)에서 기공을 통해 소량의 흐름을 흡입하도록 디자인될 수 있고, 제1 여과물로서 제1 필터로부터 여과물을 수용할 수 있다. 제1 모듈(181)의 여과물 유출구(183)는 제2 모듈(182)의 유입구(184)와 유체 연결된다. 제2 모듈(182)은 "분획 2"로서 제1 여과물의 서브집단을 보유할 수 있는 필터(509)를 포함하며, 이는 유출구(510)에서 수확되는 것이다. 제3 챔버(511)는 제2 필터(509)의 여과물을 수행하기 위해 배치될 수 있고, 유동 배제를 촉진시키기 위해 제2 필터의 기공을 통해 소량의 흐름을 흡입할 수 있다. 제2 필터(509)의 여과물은 유출구(507)를 경우하여 배출될 수 있고, 이는 본원에서 "분획 3"으로서 칭하여진다. 제2 모듈(182)은 제1 모듈(181)의 것 보다 작은 보유 크기를 이용할 수 있다. 두 개의 모듈(181,182)은 제2 챔버(504)의 길이를 감소시키기 위해 배열될 수 있다(도 18b). 본 발명의 다른 구체예에서, 도 18c에 도시된 바와 같이, 캐스케이드 모듈(180)은 제1 필터 모듈(181) 및 제2 필터 모듈(182)을 포함한다. 제2 모듈(182)의 유입구(184)는 제1 모듈(181)의 유출구(183, 186)에 연결된다. 모듈(180)이 층류 조건 하에서 작동될 때, 제1 모듈(181)로부터의 여과물 및 잔존물은 대류 혼합 없이 두 개의 분리된 흐름 스트림과 나란히 흐를 수 있다. 두 개의 스트림 사이의 계면은 점선(185)으로서 나타내었다. 캐스케이드 모듈(180)은 공급물 입자를 세 개의 상이한 분획, 즉 분획 1, 분획 2 및 분획 3으로 분별시킬 수 있으며, 이는 각각 배출구(503, 510 및 507)를 경유하여 수집될 수 있다. 분획 1의 순도를 증가시키기 위하여, 담체 유체는 유입구(521)를 경우하여 도입될 수 있다.
도 18d는 약한 강성의 구형 입자를 세 개의 분획으로 분리할 때 캐스케이드 모듈이 달성할 수 있는 크기 분포 결과를 정성적으로 도시한 것이다. 복잡한 공급물, 예를 들어 혈액은 세 개 이상의 분획으로 분리될 수 있다. 이러한 분리는 입자-입자 상호작용, 입자의 변형 및/또는 비-뉴톤성 유체 거동을 포함한 여러 인자들을 기초로 할 수 있다.
이중 필터 모듈 및 다중 필터 모듈은 필터 모듈과 유사한 방식으로 필터 캐스케이드 모듈을 형성하기 위해 캐스케이딩될 수 있다. 도 19는 두 개의 이러한 구체예를 도시한 것이다. 도 19a는 잔존물 챔버(501)를 공유하면서, 도 18c에 도시된 두 개의 필터 캐스케이트 모듈의 거울상 배열을 나타낸 구체예를 도시한 것이다. 입자는 유출구(503, 510, 507)에서 분별되고 수집된다. 유사하게, 도 18c의 두 개의 필터 캐스케이드 모듈은 도 19b에 도시된 구체예를 형성하기 위해 챔버(504)를 공유할 수 있다.
필터 캐스케이드 모듈은 입자의 기계적 성질, 예를 들어 크기, 형태, 변형성, 가요성, 신축성 및/또는 점도에 따라 입자를 세 개 이상의 분획으로 분리하는데 유용할 수 있다. 예를 들어, 필터 캐스케이트 모듈은 전혈을 림프구, 과립구 및 적혈구 집단으로 분별할 수 있다. 필터 캐스케이드 모듈의 다른 구체예는 효소 소화된 지방 조직을 지방 세포, 지방 줄기 세포를 포함한 지방줄기세포 분획 및 혈액 세포로 분별시킬 수 있다.
필터 캐스케이드 모듈의 다른 구체예는 도 20a에 도시되어 있다. 잔존물 챔버(501)는 유입구(502)에서 공급물 유체를 수용할 수 있다. 공급물은 제1 필터(508)에 대해 구동될 수 있다. 제1 여과물 챔버(504)는 유동 배제를 촉진시키고 제1 필터(508)로부터의 여과물을 수집하기 위해 제1 필터(508)의 기공을 통해 소량의 흐름을 흡입하도록 구성될 수 있다. 제1 필터(508)의 잔존물은 제2 필터 모듈을 제2 필터(509)에 반대로 진입할 수 있다. 제2 여과물 챔버(516)는 제2 여과물 챔버(516)는 제2 필터(509)의 기공을 통해 소량의 흐름을 흡입하고 유출구(513)를 통해 제2 필터(509)로부터의 여과물을 수집하도록 구성될 수 있다. 제1 필터(508)의 유효 기공 크기는 제2 필터(509)의 유효 기공 크기보다 작도록 구성될 수 있다. 제2 필터의 잔존물은 잔존물 챔버(501)에서 유출구(503)를 통해 수확될 수 있다.
도 20a의 구체예는 층류 작동 조건으로 인하여 도 20b에 도시된 것에 비해 단순화될 수 있다. 상이한 보유 크기의 두 개의 필터(508, 509)의 여과물은 동일한 여과물 챔버(504)에 의해 수집될 수 있다. 두 개의 여과물은 대류저긍로 혼합하지 않을 수 있으며, 이에 따라 두 개의 유출구(541, 542)를 경유하여 별도로 수집될 수 있다.
도 20a 및 도 20b에 도시된 구체예에서, 공급물 입자는 세 개의 분획, 즉 제1 필터(508)의 여과물(분획 3), 제2 필터(509)의 여과물(분획 2), 및 제2 필터(509)의 잔존물(분획 1)로 분별될 수 있다. 강성의 구형 입자를 포함하는 공급물에 대하여, 세 개의 분획의 크기 분포의 예는 도 20c에서 정성적으로 도시되어 있다. 필터 캐스케이드 모듈이 두 개의 필터 모듈이 이중 필터 모듈을 형성시킬 수 있는 만큼(도 14, 15), 이중 필터 캐스케이트 모듈(도 21)을 형성시킬 수 있다. 도 20a 및 도 20b의 이중 필터 모듈은 도 14a의 이중 필터 모듈이 도 17b에 도시된 캐스케이드 모듈을 형성할 수 있는 것과 동일한 방식으로 캐스케이드 모듈을 형성시키기 위해 추가로 캐스케이딩할 수 있다.
필터 캐스케이드 모듈이 두 개 이상의 필터 모듈, 이중 필터 모듈, 또는 다중 필터 모듈의 캐스케이드를 포함할 수 있다는 것으로 인식된다.
필터 캐스케이드 모듈의 상기 구체예는 또한 잔존물의 순도를 증가시키거나 입자를 세척하거나 입자를 담체 흐름으로서 상이한 시약으로 처리하거나 입자를 표지화하기 위해 담체 흐름 또는 다중 담체 흐름을 이용할 수 있다.
이중 필터 캐스케이드 모듈이 공급물을 세 개 초과의 분획으로 분리하기 위해 두 개 초과의 보유 크기의 필터를 포함할 수 있다는 것으로 인식된다. 또한 상술된 이중 필터 캐스케이드 모듈의 구체예가 중심선에 대해 대칭적이지만, 이중 필터 캐스케이드 모듈은 비대칭적일 수 있거나, 중심선의 마주보는 측면에서 상이한 유효 기공 크기의 필터를 포함할 수 있는 것으로 인식된다.
다른 모듈 구성
본 발명의 다른 구체예에서, 잔존물 챔버, 필터 및 여과물 챔버를 포함한 필터 모듈은 구부러질 수 있다. 이러한 필터 모듈 구체예는, 긴 필터 길이가 요망될 때, 감소된 풋프린트의 장점을 가질 수 있다. 대안적으로, 필터 모듈 및 필터 캐스케이드 모듈은 구불구불한 형태로 배열될 수 있다.
모듈은 상이한 필터 특징을 획득하기 위한 방식으로 조합될 수 있다. 예를 들어, 도 22a는 잔존물 입자를 효과적으로 농축시키기 위한 본 발명의 일 구체예를 도시한 것이다. 공급물은 유입구(220)를 경유하여 제1 모듈(221)로 진입할 수 있다. 제1 모듈은 이의 잔존물로서 공급물에 표적 입자를 농축시킬 수 있다. 잔존물은 공급물로서 제2 모듈(222)에 진입할 수 있고, 유출구(225)를 통해 배출되기 전에 다시 농축될 수 있다. 각 모듈이 이의 공급물을 5배 감소 부피로 농축시키는 경우에, 두 개의 모듈은 함께 부피를 25배 감소시킬 수 있다. 보다 많은 모듈, 예를 들어, 3, 4 또는 5개의 모듈은 더욱 농축된 생산량을 얻기 위해 유사한 방식으로 함께 연결될 수 있다. 세 개의 모듈이 유사한 방식으로 캐스케이딩되고 각 모듈이 4배의 부피 감소를 갖는 경우에, 세 개의 모듈은 함께 부피를 64배 감소시킬 수 있다. 모듈이 입자를 동일한 배수로 농축시키지 않는 것으로 인식된다.
도 22b는 잔존물 입자가 효과적으로 세척될 수 있는 본 발명의 일 구체예를 도시한 것이다. 공급물은 유입구(227)를 경우하여 제1 모듈(223)으로 진입할 수 있다. 담체 유체는 유입구(226)를 경유하여 도입될 수 있다. 제1 모듈의 잔존물은 담체 흐름에 의해 "세척"될 수 있고 제2 모듈(224)로 진입할 수 있다. 제2 모듈은 제2 담체 흐름을 위한 유입구(228)를 포함할 수 있다. 유입구(228)는 본 구체예에서 관통 홀을 포함할 수 있다. 제2 담체 흐름은 제1 담체 흐름과 동일하거나 동일하지 않을 수 있다. 제1 모듈(223)로부터의 잔존물은 제2 모듈(224)에서 제2 담체 흐름에 의해 세척될 수 있다. 이러한 구체예는 여과물 입자 집단을 더욱 완전히 제거하고 잔존물 입자 집단의 보다 높은 정제를 얻기 위해 사용될 수 있다. 또한, 이는 담체 흐름을 이용하여 잔존물 입자를 처리, 세척 또는 표지화하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 담체 흐름은 잔존물 집단 상의 표적 항원에 대한 항체를 포함할 수 있다. 잔존물 입자가 담체 흐름 스트림으로 이동함에 따라, 표적 입자는 항체에 의해 표지화될 수 있다. 두 개 초과의 모듈은 유사한 방식으로 캐스케이딩될 수 있는 것으로 인식된다.
도 23a, 23b, 및 23c는 구성 모듈들이 서로 오프세트된 이중 필터 모듈의 구체예를 도시한 것이다. 도 23b에 도시된 구체예에서, 공급물 입자는 유입구(230)를 경유하여 잔존물 챔버(236)로 진입할 수 있다. 입자는 필터(237)에 의해 잔존물 분획 및 여과물 분획으로 분리될 수 있다. 여과물은 여과물 챔버(231)를 통과할 수 있고 다른 챔버(232)로 진입할 수 있다. 이러한 챔버(232)가 제1 필터(237)로부터의 여과물을 통과시킬 수 있지만, 챔버(232)는 또한 제2 필터(238)에 대한 잔존물 챔버로서 제공될 수 있다. 층류 조건으로 인하여, 잔존물 및 여과물은 대류적으로 혼합되지 않을 수 있고, 이러한 것들이 잔존물 챔버(232)를 통해 흐른 후에 수집될 수 있다. 제1 필터(237) 및 제2 필터(238)로부터의 여과물 분획은 각각 제1 유출구(235) 및 제2 유출구(234)를 경유하여 배출될 수 있으며, 필터(237, 238) 둘 모두의 잔존물 분획은 유출구(233)를 경유하여 수집될 수 있다. 유사하게, 도 23c에 도시된 구체예에서, 제1 잔존물 챔버(236)로부터의 잔존물 및 제1 여과물 챔버(231)로부터의 여과물은 제2 잔존물 챔버(232)를 통해 나란히 흐를 수 있다. 층류 조건 하에서, 잔존물 및 여과물은 대류적으로 혼합하지 않는다. 점선(239)은 잔존물과 여과물 간의 유체 계면을 도시한 것으로서, 이는 각각 두 개의 상이한 유출구(233, 235)를 경유하여 배출될 수 있다.
도 23d는 다중 필터 모듈의 일 구체예를 도시한 것이다. 이러한 모듈은 서로 거울상으로서 도 23c에 도시된 두 개의 모듈을 포함한다. 여과물 챔버(231) 및 잔존물 챔버(232)는 공유된다. 흐름이 층류이기 때문에, 여과물 및 잔존물 스트림은 대류적으로 혼합하지 않을 수 있다. 스트림 사이의 계면은 점선(239)로서 도시된다. 여과물 스트림은 유출구(234, 235)를 경유하여 수집될 수 있으며, 잔존물 스트림은 유출구(233)를 경유하여 수집될 수 있다.
도 23e는 필터 캐스케이드 모듈의 일 구체예를 도시한 것이다. 이러한 필터 캐스케이드 모듈은 두 개의 모듈(2310, 2311)을 포함하며, 이들 각각은 도 23c에 도시된 모듈을 포함한다.
상술된 다양한 필터 모듈 디자인 및 구성은 단지 일 예로서, 제한적인 것으로 의도되지 않는 것으로 이해된다. 본 발명의 사상에서, 필터는 도 9에 도시된 바와 같이 다양한 단면의 기둥을 포함할 수 있다. 모듈은 이중 필터 모듈, 다중 필터 모듈, 다양한 필터 캐스케이드 모듈을 형성시키기 위해 다양한 방식으로 조합되고/거나 캐스케이딩될 수 있다. 담체 흐름 또는 다중 담체 흐름은 여과물 집단 고갈, 여과물 집단 제거, 입자 세척, 입자 표지화, 입자 처리 등을 촉진시키기 위해 다양한 모듈에 도입될 수 있다.
유동 배제를 위한 구조적 조건
물리적 기공 크기보다 실질적으로 작은 유효 기공 크기를 달성하기 위하여, 여과 장치의 여과물 챔버는 점진적으로 팽창하게 구성될 수 있다. 당업자는 유동 배제가 본 발명의 구체예에서 일어날 수 있을 때의 조건을 고려할 수 있다.
임의의 특정 수학식, 방정식, 유도(derivation), 및 이론으로 한정하는 것은 아니지만, 유동 배제를 조장할 수 있는 조건은 하기에 기술된다. 예를 들어, 도 12에 도시된 구체예를 고려하자. 기공을 통한 흐름이 챔버의 팽창 및 수축, 예를 들어, 여과물 챔버의 확장 및/또는 잔존물 챔버의 축소에 의해 조절되기 때문에, 비율적 여과물 챔버 단면적" w를 여과물 챔버의 단면적과 모든 챔버의 단면적 간의 비율로서 정의하며, 여기서 단면은 평균 흐름 방향에 대해 실질적으로 수직으로 얻어진다. 도 12에 도시된 구체예에서와 같이, 여과 모듈이 실질적으로 일정한 깊이의 챔버를 가질 때, "비율적 여과물 챔버 단면적" w는 하기와 같다:
상기 식에서, a는 잔존물 챔버의 폭이며, b는 고려되는 단면에서 여과물 챔버의 폭이다. 챔버에서 전체 흐름의 분획으로서 기공을 통한 흐름은 실질적으로 기공 둘레의 "비율적 여과물 챔버 단면적"의 증가에 의존적이다. 도 12에 도시된 구체예에서, 이러한 증가는 하기와 같이 나타낸다:
다른 한편으로, 기공을 통해 흡입된 흐름의 양은 기공 개구의 면적 및 기공을 통한 평균 흐름 속도에 대략적으로 비례하며 챔버 아래로 흐르는 양이 챔버의 전체 단면적 및 챔버에서의 평균 흐름 속도에 대략적으로 비례하기 때문에, 챔버에서 흐름의 분획으로서 기공을 통한 흐름이 물리적 기공 크기의 제곱을 챔버의 전체 단면적으로 나눈 것에 실질적으로 비례하는 것으로 예상된다.
기공을 통한 흐름이 물리적 기공 크기에서 보다 약할 때 유동 배제가 일어나기 때문에(도 4), 이에 따라, 실질적인 유동 배제를 일으키기 위한 하나의 조건은 하기와 같을 수 있다:
분모에서 3의 지수는 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 추정된 비례 지수이다(도 4). 이러한 기준은 본원에서 "여과물 챔버 팽창 기준"으로서 칭하여진다. 본 발명의 일부 구체예에서, 여과 모듈은 잔존물 챔버, 여과물 챔버, 및 기둥 및 물리적 기공 크기를 포함하는 기공을 포함하는 필터를 포함하며, 여기서 여과물 챔버는 "여과물 챔버 팽창 기준"을 만족하는 비율로 팽창한다. 본 발명의 일부 구체예에서, 여과물 챔버가 확장하는 각도(들), 즉 필터와 여과물 챔버 측벽 사이의 가변 또는 고정 각도(들)는 매우 작으며, 예를 들어 약 0.1 도, 0.2 도, 0.3 도, 0.5 도, 0.7 도, 1 도, 1.5 도, 2 도, 2.5 도, 3 도, 또는 5 도이다.
유동 배제를 조장할 수 있는 다른 조건은 여과 모듈에서 많은 수의 기공을 도입하는 것인데, 왜냐하면 보다 많은 기공이 존재할 때, 각 기공을 통한 흐름이 감소될 수 있으며 유동 배제가 일어날 수 있기 때문이다. 이전 유도와 유사하게, 유동 배제를 위해 요구될 수 있는 기공의 갯수가 실질적으로 여과물 챔버에서 수집된 흐름의 양, 및 물리적 기공 크기를 포함하는 기공에 의해 허용되는 흐름의 양에 의존적일 것으로 예상된다. 이에 따라, 유동 배제를 위해 요구될 수 있는 기공의 최소 갯수는 여과물 챔버 유출구의 단면적과 물리적 기공 크기의 제곱 간의 비에 대해 실질적으로 비례할 수 있다. 이에 따라, 실질적인 유동 배제를 위한 다른 조건은 하기와 같을 수 있다:
상기 식에서, N은 모듈에서 기공의 갯수이며, k는 여과 모듈의 유출구 측 상에서 "비례 여과물 챔버 단면적"이다. 3의 비율 지수는 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 추정된 것이다. 이러한 기준은 본원에서 "최소 기공수 기준"으로서 칭하여진다. 도 12에 도시된 구체예에 대하여, 실질적인 유동 배제를 위한 조건은 하기와 같을 수 있다:
본 발명의 일부 구체예에서, 여과 모듈은 잔존물 챔버, 여과물 챔버, 및 기둥 및 물리적 기공 크기를 포함하는 기공을 포함하는 필터를 포함하며, 여기서 기공의 갯수는 "최소 기공수 기준"을 만족한다.
상기 이론, 식, 방정식 및 유도가 제한적인 것으로 의도되지 않게 이해된다. "여과물 챔버 팽창 기준" 및 "최소 기공수 기준"이 필터 모듈, 이중 필터 모듈, 다중 필터 모듈 및 필터 캐스케이드 모듈을 포함하지만 이로 제한되지 않는 본 발명의 여과 모듈에 따른 다양한 구체예에 적용될 수 있는 것으로 인식된다.
여과 유닛
본 발명의 일 구체예는 상술된 여과 모듈, 유체 채널 및 포트를 포함하는 여과 유닛이다. 유체 채널은 포트와 모듈 사이에 유체 연결을 제공하도록 구성된다. 유체 채널은 또한 요망되는 작동 조건에서, 모듈에서 요망되는 흐름 분포, 예를 들어 모듈에서 공급물 및 담체 유체의 정확한 비율 및/또는 잔존물 및 여과물로서 수집된 유체의 정확한 비율을 수립하기 위해 적절한 유체 저항하도록 구성될 수 있다.
고밀도 모듈 장치
본 발명의 일부 구체예의 우수한 장점들 중 하나는 콤팩트 장치 풋프린트 및 낮은 전단을 유지하면서, 유동 배제-기반 입자 여과를 위한 고처리량 및 고용량 장치가 가능하다는 것이다. 상술된 모듈 및 유닛 구성은 콤팩트하고 높은 모듈 밀도의 장치로 용이하게 패턴화될 수 있다. 이러한 장치는 확장 가능한 용량 및 가공 처리량을 가질 수 있고, 여러 적용, 예를 들어 제대혈의 부피 감소, 세포 세척, 줄기 세포의 단리, 지방줄기세포 분획의 제조, 혈장 스키밍, 및 골수 줄기 세포의 여과를 위해 매우 유용할 수 있다. 여러 이러한 콤팩트 장치들의 하나의 장치로서의 적층(stacking)은 더욱 높은 용량 및 처리량을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 구체예에서, 장치는 복수의 여과 유닛을 포함하는데, 여기서 각 여과 유닛은 상술된 모듈, 및 모듈과 유체 연결된 유체 채널을 포함한다. 본 발명의 또 다른 구체예에서, 복수의 여과 유닛, 예를 들어 약 3, 5, 8, 10, 15, 20, 30, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 500, 800개 이상의 여과 유닛은 단일 장치 상에 고밀도 구성으로 배치된다. 이러한 장치는 본원에서 "고밀도 모듈 장치"라 칭한다.
도 24a 내지 도 24f는 처리량 및 용량을 증가시키기 위해 여과 유닛(249)이 반복된 고밀도 모듈 장치의 여러 구체예를 도시한 것이다. 도 24a에서, 각각이 이중 필터 모듈을 포함하는 8개의 여과 유닛이 배치된다. 모듈의 공급물 유입구(502), 잔존물 유출구(503), 및 여과물 유출구(507)는 각각 유입구 채널(244) 및 유출구 채널(245, 246)을 이용하여 유입구 포트(241) 및 유출구 포트(242, 243)에 연결된다.
채널(244, 245, 246)을 가로지르는 흐름 저항은 작동 조건 하에서 유입구(502)로 진입하고 유출구(503, 507)로 배출되는 흐름의 적절한 양을 수립하고 개개 모듈의 작동을 촉진시키기 위해 구성될 수 있다. 채널(244, 245, 246)을 가로지르는 흐름 저항은 디자인된 장치에 대한 작업 조건에 따라, 모듈의 흐름 저항 보다 작거나, 이와 유사하거나, 이보다 크도록 디자인될 수 있다. 일부 구체예에서, 유입구 및 유출구 채널(245, 246)을 가로지르는 흐름 저항은 이중 필터 모듈 저항의 약 0.01 내지 약 0.99배일 수 있다.
본 발명의 다른 구체예에서(도 24b), 각 이중 필터 모듈은 담체 흐름 유입구(521)를 포함할 수 있는데, 이는 채널(248)를 경유하여 유입구 포트(247)에 연결될 수 있다. 채널의 흐름 저항은 개개 모듈의 적절한 작동을 촉진시키도록 디자인될 수 있다. 본 발명의 또 다른 구체예에서(도 24c), 다중 필터 모듈은 채널을 이용하여 유입구 및 유출구 포트에 연결된다. 본 발명의 또 다른 구체예에서(도 24d), 여러 모듈은 유입구 포트(241) 및 유출구 포트(242)를 공유한다. 포트에 모듈을 연결시키는 채널은 실질적으로 동일한 저항을 갖도록 디자인될 수 있다. 본 발명의 또 다른 구체예에서(도 24e), 모듈은 원형 디스크 상에 배치될 수 있다. 도 24e의 구체예에서, 디스크는 디스크 상에 배치된 모듈을 통해 유체를 유도할 수 있는 원심력을 발생시키기 위해 중심축 둘레로 회전할 수 있다.
모듈은 단 하나의 열로 배치되는 것으로 제한되지 않는다. 두 개 이상의 열의 모듈이 하나의 장치로서 배치될 수 있다. 두 개 이상의 열의 모듈과 관련하여, 포트를 공유하고 장치의 풋프린트를 감소시키기 위한 추가의 가능한 배열이 존재한다. 도 24f는 공통의 공급물 유입구 포트를 공유하는 두 개의 열에 배치된 복수의 20 이중 필터 모듈을 도시한 것이다. 또한, 장치는 고용량 및 고처리량을 달성하기 위해 적층될 수 있다(도 25).
복수의 필터 모듈, 이중 필터 모듈, 필터 캐스케이드 모듈, 이중 필터 캐스케이드 모듈, 다중 필터 모듈, 다중 필터 캐스케이드 모듈, 다른 구성, 또는 상기 모듈의 임의의 조합이 서로에 대해 임의의 가능한 2차원 또는 3차원 관계로 배치될 수 있는 것으로 인식된다.
여과 장치 제작 기술
본 발명에 따른 장치의 구체예를 제작하기 위해 다양한 기술들이 사용될 수 있다. 본 발명의 일 구체예에서, 장치는 미세 기계 가공될 수 있다. 미세 기계 가공 기술은 당업자에게 공지된 기술, 예를 들어 규소-기반 직접 회로 제작을 위해 통상적으로 사용되는 기술, 엠보싱, 소프트 엠보싱, 캐스팅, 각인(imprinting), 몰딩, 사출 성형, 압출, 스테레오 레이저 리소그래피, 선택적 레이저 신터링, 광한정성(photodefinable) 유리 리소그래피 및 습식 에칭, 컴퓨터 수치 제어(CNC) 기계 가공, 폴리디메틸실록산(PDMS) 소프트 리소그래피, 초음파 마이크로밀링, 두꺼운 포토레지스트 리소그래피, 상술된 기술들의 조합 등으로부터 선택될 수 있지만, 이로 제한되지 않는다. 적합한 제작 기술의 예는 포토리소그래피, 심도 반응성 이온 에칭(deep reactive ion etching), 습식 에칭, 몰딩, 엠보싱, 각인, 레이저 절개, 두꺼운 포토레지스트 리소그래피, 소프트 리소그래피, 방사선 트랙 에칭, 및 다른 기술들을 포함한다. 여과 장치의 일부 양태 및 구체예는 고려되는 특정 적용에 존재하는 조건과 양립 가능한 재료로 제조될 수 있다. 이러한 조건은 pH, 온도, 유기 용매, 생체적합성, 이온 강도, 압력, 전기장의 인가, 점착성, 표면 전하, 표면 작용성화, 표면 처리, 습윤 각도, 친수성, 소수성, 기계적 강도, 및 열팽창을 포함할 수 있지만, 이로 제한되지 않는다. 장치의 재료는 또한 이들의 광학적 성질, 기계적 성질, 화학적 성질, 용매에 대한 내화학성, 용융 성질에 대해, 및 장치에서 수행되는 적용의 구성성분들에 대한 이들의 불활성에 대해 선택될 수 있다. 이러한 재료는 유리, 흄드 실리카, 규소 고무, 규소, 세라믹, 광한정성 유리, 플라스틱, 폴리머 재료, 감광성 폴리머, 두꺼운 포토레지스트, SU-8 레지스트, 폴리디메틸실록산(PDMS), 환형 올레핀 코폴리머(COC), 환형 올레핀 폴리머(COP), 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 감압 재료, 테플론, 아크릴, 폴리에테르설폰, 폴리테트라플루오로에틸렌 등을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. 이러한 장치는 표준 멸균 기술, 예를 들어 감마 조사, 에틸렌 옥사이드(EO) 멸균, 자외선 조명, 오토클레이빙 등을 이용하여 멸균될 수 있다.
마이크로유체 여과 모듈, 유닛 및 장치를
특징분석하기
위한 효율성 매트릭스(
Efficiency
Metrics
)
다른 마이크로유체 장치와 비교하여, 본 발명의 일부 양태 및 구체예는 유동 배제를 더욱 효율적이게 하기 위한 조건을 생성시킨다. 본 발명에 따른 필터 모듈의 구체예는 요망되는 용량 및/또는 처리량을 갖는, 하나의 물리적으로 콤팩트한 장치, 예를 들어 고밀도 모듈 장치로서 배치될 수 있다. 본 발명의 구체예는 여러 우수한 장점들을 가질 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 구체예는 쉽게 막히지 않을 수 있다. 둘째로, 본 발며으이 일부 양태 및 구체예는 이러한 양태 및 구체예가 매우 작은 풋프린트 및 비교적 작은 갯수의 기둥을 포함할 수 있기 때문에 제작하기에 비교적 용이할 수 있다. 세째로, 본 발명의 일부 양태 및 구체예는 입자를 온화하게 여과하는 경향이 있다. 일부 구체예에서, 여과물 입자는 여과 공정 동안에 모듈 당 하나 정도의 적은 기공을 통과할 수 있다. 네째로, 본 발명의 일부 양태 및 구체예는 작은 확산을 도입하는데, 왜냐하면 입자가 다른 디자인이 가질 수 있는 일정한 충돌 및 산란을 일으키지 않기 때문이다. 작은 확산은 매우 효율적인 분리를 초래할 수 있다.
본 발명의 양태 및 구체예는 용이하고 비용효율적으로 제작되는 고처리량, 낮은 전단, 및 콤팩트 여과 장치를 포함할 수 있다. 장치 디자인의 효율 및 제작에 요구되는 가능한 활동을 정량화하기 위해 매트릭스가 규정될 수 있다. 마이크로유체 여과 장치를 제작하기 위해 요구되는 가능한 활성을 반영하는 하나의 매트릭스는 장치의 정지 부피이다. 정지 부피는 장치 내측의 빈 부피이고, 장치 제작 공정 동안에 제거되거나 대체되는 물질의 양을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 규소에서 마이크로유체 여과 장치를 제작하는 하나의 방법은 포토리소그래피 이후 반응성 이온 에칭이다. 웨이퍼 상에서 제조될 수 있는 장치의 갯수는 장치에서 에칭된 구역의 크기에 따르지만, 반응성 이온 에칭에 대한 총 작동 시간(machine time)은 에칭 깊이에 의존적이다. 장치의 정지 부피는 대략적으로 에칭 깊이가 곱해진 에칭된 구역의 크기일 수 있고, 이에 따라 장치를 제작하기 위해 요구되는 수고 및 비용을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 마이크로제작을 이용하여 규소에서 마이크로제작된 여과 장치에 대하여, 장치에서 정지 부피가 클수록, 보다 많은 웨이퍼 재료, 포토리소그래피 수고, 및 에칭 총 작동 시간이 요구될 수 있다. 다른 장치 제작 기술, 예를 들어 사출 성형은 또한 정지 부피와 장치를 제작하기 위해 요구되는 수고 간의 유사한 상관관계를 나타낸다.
하나 이상의 여과 모듈, 예를 들어 필터 모듈, 이중 필터 모듈, 필터 캐스케이드 모듈, 또는 다중 필터 모듈을 포함하는 마이크로유체 여과 장치에 대하여, 여과 모듈의 정지 부피는 여과 모듈 및 장치의 특징을 분석하기 위한 양호한 매트릭스로서 제공될 수 있다. 본 발명의 일부 양태 및 구체예는 작은 정지 부피를 갖는 여과 모듈을 포함하며, 예를 들어 여과 모듈은 <1 ㎕, <0.3 ㎕, < 0.1 ㎕, <0.03 ㎕, <0.01 ㎕ 또는 보다 작은 정지 부피를 포함할 수 있다. 본 발명의 여러 대표적인 구체예의 정지 부피는 하기 섹션의 실시예에서 계산되고 기술된다.
모듈을 제작하기 위해 요구되는 수고를 추정하기 위해 규정될 수 있는 다른 매트릭스는 본원에서 부피 당 여과 유닛의 갯수로서 규정된, "여과 유닛 밀도"이다. 보다 상세하게, "여과 유닛 밀도"는 하기와 같이 계산될 수 있다:
예를 들어, 100개의 동일한 여과 유닛, 2 cm×2 cm의 풋프린트, 및 50 ㎛의 평균 특징적 채널 깊이를 갖는 고밀도 모듈 장치를 고려하면, "여과 유닛 밀도"는 100/[(2 cm×2cm)×50 ㎛]로서, 이는 5,000 ㎝-3과 동일하다. 이러한 "여과 유닛 밀도"는, 원칙적으로, 5,000개 이하의 여과 유닛이 입방 센티미터 크기인 고밀도 모듈 장치에 패킹될 수 있음을 의미한다. 유용성을 증가시키고 마이크로유체 여과 장치의 비용을 감소시키기 위하여, 장치 처리량이 장치에서의 모듈의 갯수에 의존적이며 비용이 장치에서 유체 특성의 부피 양에 따라 조정하는 경향이 있는 바, 장치의 "여과 유닛 밀도"를 최대화하는 것이 요망될 수 있다. 본 발명의 일부 양태 및 구체예는 높은 "여과 유닛 밀도"를 갖는 장치를 가능하게 한다. 본 발명의 여러 대표적인 구체예의 "여과 유닛 밀도"는 하기 실시예 섹션에서 계산되고 기술된다.
장치 풋프린트 및 채널 깊이 이외에, 마이크로유체 분리 장치의 중요한 성능 사양은 입자 가공 속도로서, 이는 단위 시간 당 가공되는 공급물 입자의 갯수로서 정의된다. 장치의 입자 가공 속도를 특징분석하기 위하여, 장치 풋프린트 및 유체 채널 깊이를 고려하는 것이 중요할 수 있는데, 이는 장치의 제작 어려움 및 비용과 상관관계가 있다. "정규화된 가공 속도"는 하기와 같이 마이크로유체 분리 장치에 대해 정의될 수 있다:
장치가 높은 정규화된 가공 속도를 갖는 것이 요망될 수 있다. 본 발명의 여러 양태 및 구체예는 분리 장치가 높은 "가공 속도 지수"를 갖는 것을 가능하게 한다. 본 발명의 여러 대표적인 구체예에 대한 가공 속도 지수는 하기 실시예 섹션에서 계산되고 기술된다.
마이크로유체 분리 장치의 효율성 및 제작 비용과 관련한 다른 중요한 인자는 작동 흐름 속도일 수 있다. 여러 경우에서 흐름 속도의 증가는 제작 비용의 증가 없이 장치의 처리량을 증가시킨다. 그러나, 이러한 방법은 전단 응력이 관련되는 적용에 대해 큰 제한에 이르게 될 수 있다. 증가된 흐름 속도는 보다 큰 전단 응력 조건을 야기시킬 수 있어, 가능한 입자 손상 및/또는 필터 오염을 초래한다. 세포 여과 적용을 위하여, 전단이 제한되는 것이 요망될 수 있다. 세포는 고전단 응력에 대해 취약할 수 있고, 고전단 응력에 의해 활성화되거나, 손상되거나, 변형되거나 심지어 용해될 수 있다. 본 발명의 여러 양태 및 구체예는 전단을 제한하면서 흐름 속도를 최대화할 수 있다.
상이한 마이크로유체 흐름-스로우(flow-through) 분리 장치의 처리량을 비교할 때, 장치 풋프린트, 채널 깊이, 및 작동 전단 조건에 따라 처리량을 일반화하는 것이 요망될 수 있다. 또한, 처리량은 여과 장치의 특징적인 보유 크기의 제곱에 따라 일반화될 수 있는데, 왜냐하면 보다 큰 보유 크기를 갖는 장치가 보다 고처리량을 갖는 경향이 있기 때문이다. 본원에서, 마이크로유체 분리 장치의 일반화된 처리량을 나타내는 "디자인 효율 지수"(D.E.I.)는 하기와 같이 정의된다:
상기 식에서, Q는 장치가 공급물을 가공하는 부피당 처리량이며, S는 장치를 통해 흐를 때 입자가 경험하는 최대 전단 속도이며, A는 장치 풋프린트로서, 이는 구역이며, D는 장치 채널의 특징적인 깊이이며, R은 장치의 보유 크기이다. 본원에서 전단속도는 속도에 대해 수직 방향에서 유체의 속도 구배로서 정의되고 1/시간의 치수를 갖는다. 디자인 효율 지수는 1/길이2의 치수를 가지고, 장치 크기, 채널 깊이, 작동 전단 조건, 및 보유 크기와는 무관하게 장치의 본래 성질이 고려될 수 있다.
"디자인 효율 지수"는 장치 디자인의 유용성에 대한 양호한 지표일 수 있다. 높은 효율 지수를 갖는 장치는 고처리량일 수 있고, 콤팩트하고, 온화하고, 용이하게 제작될 수 있다. 디자인 효율 지수는 입자 여과를 위한 마이크로유체 흐름-스로우 장치의 고유 처리량 성능을 특징분석하기 위해 매우 유용할 수 있으며, 여기서 작동 조건은 흐름이 층류인 경우로서, 여기서 레이놀드 수 Re는 낮으며, 예를 들어 <0.01, <0.1, <1, <10, <100, 또는 <500이며, 입자 크기 범위는 약 50 ㎚ 내지 약 300 ㎛이다.
본 발명의 양태 및 구체예는 높은 디자인 효율 지수의 장치를 가능하게 할 수 있다. 본 발명의 여러 대표적인 구체예의 "디자인 효율 지수"는 하기 실시예 섹션에서 계산되고 기술된다.
본 발명의 양태 및 구체예는 여과 장치, 특히 마이크로유체 분리 장치가 정지 부피, 여과 유닛 밀도, 정규화된 가공 속도 및/또는 디자인 효율 지수 매트릭스에 의해 특징되는 바와 같이 장치 성능 및 비용 효율을 크게 개선시키는 디자인 특성을 포함할 수 있는 것으로 인식된다.
시스템
입자 여과용 백 시스템
본 발명의 일부 구체예에서, 고밀도 모듈 장치는 필터 카트리지에 하우징되고 닫힌 시스템을 형성하기 위해 배관 라인 및 백에 연결된다. 이러한 시스템은 임상 적용, 예를 들어 제대혈 부피 감소, 말초 혈액 성분 분리, 양수로부터 줄기 세포 단리, 골수 여과, 백혈구 감소, 혈장 스키밍, 지방줄기세포 분획(SVF)의 생성 등에 대해 특히 유용할 수 있다. 가공되는 입자 샘플은 외부 오염물에 노출되지 않을 수 있다. 또한, 입자 샘플은 시스템에 함유될 수 있으며, 이에 의해 작업자에게 생물학적 위험을 감소시킬 수 있다.
도 26a 내지 도 26e는 하우징(260) 및 다중의 고밀도 모듈 장치(261)를 포함하는 필터 카트리지의 일 구체예를 도시한 것이다. 하우징(260)은 공급물 채널(262), 잔존물 수집 채널(263), 및 여과물 수집 채널(264)을 포함할 수 있다. 상기 채널들은, 카트리지가 백 시스템을 형성시키기 위해 배관에 연결될 수 있도록 피팅(fitting)(265, 266, 267)에 연결될 수 있다. 카트리지(260)는, 장치가 높은 부피당 처리량을 달성하기 위해 공급물을 동시에 가공할 수 있도록 고밀도 모듈 장치(261)를 가로질러 공급물을 분포시킬 수 있다. 카트리지(260)는 또한 고밀도 모듈 장치(261)로부터 잔존물 및 여과물을 수집할 수 있다. 도 26d 및 도 26e에 도시된 바와 같이, 다중의 고밀도 모듈 장치(261)는, 공급물, 잔존물 및 여과물이 서로 오염되지 않도록 적절한 시일을 제공하기 위해 가스켓(268)을 이용하여 적층될 수 있다. 대안적으로, 고밀도 모듈 장치(261)는 접착되거나 결합될 수 있다.
필터 카트리지의 상이한 부품들은 함께 접착되거나, 결합되거나, 초음파 결합되거나, 클립핑되거나, 스크류잉될 수 있다. 카트리지의 하우징은 표준 제작 기술, 예를 들어 사출 성형, 엠보싱, 몰딩, 핫 엠보싱, 스테레오 리소그래피, 기계가공 등을 이용하여 플라스틱으로 제조될 수 있다. 하우징을 위한 플라스틱 재료는 환형 올레핀 코폴리머(COC), 환형 올레핀 폴리머(COP), 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 감압 재료, 테플론, 아크릴, 폴리에테르설폰, 폴리테트라플루오로에틸렌 등을 포함할 수 있지만, 이로 제한되지 않는다. 가스켓은 표준 기술, 예를 들어 컷팅, 몰딩, 워터젯팅 등을 이용하여 실리콘, 라텍스, 네오프렌, 비닐 고무와 같은 고무 재료로 제조될 수 있다.
도 27a 내지 도 27c는 다중의 고밀도 모듈 장치, 여과물 수집 백(273) 및 잔존물 수집 백(272)을 포함하는 카트리지(270)를 포함하는 백 시스템을 도시한 것이다. 백(272, 273)은 배관(275, 276)을 이용하여 카트리지(270)에 연결될 수 있다. 카트리지(270)의 공급물 유입구는 배관(274)을 이용하여 어댑터(271)에 연결될 수 있다. 어댑터(271)는 포트(279)에서 샘플 수집 백(278)을 관통하도록 디자인된 사이크(sike)를 포함할 수 있고, 샘플 수집 백(278)에서의 공급물 입자를 여과를 위한 카트리지에 진입하게 할 수 있다. 공급물은 상술된 공급물 또는 입자, 예를 들어 혈액, 제대혈, 말초 혈액 줄기 세포, 골수 등을 포함할 수 있다. 어댑터(271)가 샘플 수집 백(278)에 플러그 접속된 후에, 백 시스템은 중력 하에서 매달릴 수 있으며(도 27c), 이는 고밀도 모듈 장치를 통해 공급물을 진행시킬 수 있다. 대안적으로, 압력은 샘플을 필터 카트리지(270)를 통해 구동하도록 샘플 백(278)을 가압하기 위해 적용될 수 있다. 대안적으로, 연동 펌프는 유체를 펌핑하기 위해 적용될 수 있다. 샘플 수집 백(278)은 환자 또는 탯줄과 같은 샘플 공급원으로부터 샘플 수집을 용이하게 하기 위해 니들(2710)을 추가로 포함할 수 있다.
백의 부피 용량은 디자인된 시스템에 대한 특정 적용에 의존적일 수 있다. 제대혈 뱅킹 목적을 위하여, 제대혈은 탯줄로부터 수집된다. 샘플 백(278)은 약 20 ㎖ 내지 약 250 ㎖의 제대혈, 및 약 0 ㎖ 내지 약 400 ㎖의 항혈액응고제 또는 첨가제를 수용할 수 있다. 시트레이트 포스페이트 덱스트로즈(citrate phosphate dextrose: CPD) 및 헤파린은 제대혈 수집을 위한 항혈액응고제로서 사용될 수 있다. 첨가제는 포스페이트 완충된 염수 용액, 한크의 평형 염 용액, 혈액 증가제(blood expander), 줄기 세포 성장 배지, 성장 인자 등을 포함할 수 있다. 항혈액응고제 또는 첨가제는 샘플 수집 백(278)에 사전 로딩될 수 있다. 본 발명의 일 구체예에서, 제대혈을 위한 샘플 수집 백은 약 25 ㎖ 내지 35 ㎖의 CPD를 함유할 수 있고, 약 200 ㎖ 이하의 제대혈을 수집하기 위한 용량을 가질 수 있다.
제대혈 뱅킹에서, 제대혈은 냉동 전에 혈액 부피를 줄이기 위해 가공될 수 있다. 이러한 실행은 장시간 저장 비용을 줄일 수 있다. 본 발명의 백 시스템 구체예는 제대혈 부피 감소를 위해 사용될 수 있으며, 여기서 백 시스템은 잔존물로부터 적혈구 및 혈장을 분리하기 위해 디자인된 고밀도 모듈 장치를 포함한다. 잔존물은 조혈 줄기 세포, 간세포, 콜로니 형성 세포, 및 CD34+ 세포를 포함할 수 있다. 잔존물은 냉동 매질, 예를 들어 디메틸 설폭사이드(DMSO)와 혼합될 수 있고, 후속의 치료 용도를 위해 냉동 보존 조건 하에서 냉동될 수 있다. 잔존물 수집 백(272)은 냉동 보존 냉동 백을 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 구체예에서, 잔존물 수집 백은 적어도 2개의 구획을 포함하는 냉동 보존 냉동 백을 포함할 수 있다. 본 발명의 또 다른 구체예에서, 잔존물 수집 백은 25 ㎖의 용량을 갖는 냉동 보존 냉동 백을 포함할 수 있다.
백 시스템은 백 시스템에서 유체 흐름을 조절하기 위하여 공급 배관, 잔존물 배관, 또는 여과물 배관 상에 라인 클램프(277)를 추가로 포함할 수 있다(도 27).
본 발명의 다른 구체예에서, 샘플 수집 백(281)은 배관 라인(285)을 이용하여 필터 카트리지(280)에 연결될 수 있다(도 28). 시스템은 초기에 닫힌 위치로 존재할 수 있는 라인 클램프(287)를 추가로 포함할 수 있다. 샘플, 예를 들어 혈액, 제대혈, 골수 등은 소스, 예를 들어 환자, 탯줄 등으로부터 니들(284)을 이용하여 수집될 수 있다. 시스템은 임의적으로 제1 니들이 막혔을 때 사용될 수 있는 제2 니들을 포함한다. 샘플 수집이 완료된 후에, 라인 클램프(287)는 샘플 백(281)과 필터 카트리지(280) 사이에 액체 연결을 가능하게 하기 위해 열린 위치로 스위칭될 수 있다. 셈플은 구동력, 예를 들어 중력, 압력, 또는 연동 펌프에 의해 구동될 수 있다.
입자 여과를 위한 튜브 시스템
본 발명의 다른 구체예에서, 고밀도 모듈 장치는 샘플 여과를 위한 튜브 시스템에 도입될 수 있다. 튜브 시스템은 원심분리 튜브(290), 튜브 삽입체(291), 및 캡(292)을 포함할 수 있다(도 29). 튜브 삽입체(291)는 고밀도 모듈 장치(293), 공급물 샘플 저장소(294), 산출물 저장소(295), 및 임의적으로 담체 유체 저장소(296)를 포함할 수 있다(도 30). 산출물 저장소는 고밀도 모듈 장치(293)로부터 여과물 또는 잔존물을 함유하도록 디자인될 수 있다.
튜브 시스템을 사용하기 위하여, 공급물 샘플은 공급물 샘플 저장소에 첨가될 수 있다. 임의적으로, 담체 유체는 담체 유체 저장소에 첨가될 수 있다. 담체 유체는 키트로서 튜브 시스템과 함께 시판될 수 있다. 담체 유체는 고밀도 모듈 장치에서 버블 형성의 위험을 감소시키기 위해 탈기되거나 진공 하에서, 즉 약 0.05 atm 내지 약 0.95 atm 범위의 압력에서 병에 사전-패킹될 수 있다. 대안적으로, 담체 유체는 호일, 예를 들어 알루미늄 호일을 이용하여 시일링되는 튜브 삽입체에 사전 로딩될 수 있다.
고밀도 모듈 장치는 공급물 샘플을 두 개의 분획으로 분리시킬 수 있다. 하나의 분획은 튜브(도 29에서 290)에서 수집될 수 있으며, 다른 분획은 튜브 삽입체에 수집될 수 있다. 일 구체예에서, 잔존물은 튜브에 수집될 수 있다. 다른 구체예에서, 여과물은 튜브에 수집될 수 있다. 또 다른 구체예에서, 공급물 샘플은 세 개 이상의 분획으로 분별될 수 있다. 두 개 이상의 산출물 분획은 삽입체를 이용하여 수집될 수 있다.
튜브 시스템(도 29)을 작동시키기 위하여, 튜브 삽입체(291)는 튜브(290)에 삽입될 수 있다. 담체 유체 및 공급물 샘플은 각각 담체 유체 및 샘플 저장소에 첨가될 수 있다. 이후에 캡(292)이 튜브를 닫기 위해 쓰여진다. 튜브 시스템은 중력에 의해 구동될 수 있다. 대안적으로, 튜브 시스템은 원심력에 의해 구동될 수 있으며, 즉 어셈블리된 튜브 시스템은 원심분리기에서 회전될 수 있다. 시스템에서의 튜브는 표준 오프-더-쉘프(off-the-shelf) 마이크로-원심분리 튜브, 예를 들어 2 ㎖, 1.5 ㎖ 또는 1 ㎖ 마이크로-원심분리 튜브, 또는 임의의 요망되는 크기의 비-표준 맞춤형 튜브일 수 있다.
입자 여과를 위한 카트리지 시스템 또는 플레이트 시스템
본 발명의 다른 구체예에서, 여과 장치는 샘플 여과를 위한 카트리지를 형성하기 위해 웰(well)에 연결될 수 있다. 카트리지는 여과 장치 및 공급물 샘플, 잔존물, 여과물 또는 담체 유체를 수용하기 위한 웰 또는 저장소를 포함할 수 있다. 카트리지는 다중 샘플의 여과를 용이하게 하기 위하여 다중 여과 장치 및 다중 세트의 저장소를 포함할 수 있다. 카트리지에서의 저장소는 필름, 예를 들어 플라스틱 필름, 알루미늄 필름 등으로 시일링될 수 있다.
본 발명의 다른 구체예에서, 여과 장치는 샘플 여과를 위한 플레이트 시스템을 형성하기 위해 웰에 연결될 수 있다. 시스템은 여과 장치, 및 유입 및 유출 유체를 수용하기 위한 웰을 포함할 수 있다. 여과 장치는 필터 모듈, 이중 필터 모듈, 필터 캐스케이드 모듈, 다중 필터 모듈, 고밀도 모듈 장치, 또는 본 발명에 기술된 임의의 필터 구성을 포함할 수 있다.
도 31a 내지 도 31c는 고밀도 모듈 장치(3105), 샘플 웰(3101), 담체 유체 웰(3102), 여과물 웰(3103) 및 잔존물 웰(3104)을 포함하는, 본 발명의 플레이트 시스템 구체예를 도시한 것이다. 시스템을 사용하기 위하여, 공급물 샘플 및 담체 유체는 각각 샘플 웰(3101) 및 담체 유체 웰(3102)에 로딩될 수 있다. 이후에, 압력은 여과 장치(3105)를 통해 유체를 구동시키기 위해 샘플 웰(3101) 및 담체 유체 웰(3102)에 적용될 수 있다. 대안적으로, 중간 정도의 진공이 유체를 구동시키기 위해 여과물 웰(3103) 및 잔존물 웰(3104)에 적용될 수 있다. 여과물 및 잔존물은 각각 여과물 웰(3103) 및 잔존물 웰(3014)에 수집될 수 있다.
상술된 바와 같은 복수의 플레이트 시스템은 하나의 플레이트 시스템으로서 동시에 제조될 수 있다. 도 32a 내지 도 32d는 96 웰 플레이트 포맷의 96개의 웰 및 다중의 고밀도 모듈 장치를 포함하는, 본 발명의 96 웰 플레이트 시스템 구체예를 도시한 것이다. 이러한 시스템은 표준 96 웰 플레이트 포맷을 이용한다는 장점을 가질 수 있고 표준 피펫팅 및 가공 로보트 또는 워크스테이션을 이용하여 표준 워크플로우에 통합될 수 있다. 이러한 시스템은 또한 동시에 또는 연속적으로, 한 시스템에서 다중 샘플을 가공하는 장점을 가질 수 있다. 대안적으로, 플레이트 시스템은 다른 표준 플레이트 포맷, 예를 들어, 6개 웰 플레이트, 384개의 웰 플레이트 등으로 디자인되고 제조될 수 있다. 또한, 플레이트 시스템은 본 발명의 사상을 벗어나지 않으면서 다른 비-표준 플레이트 포맷으로 디자인되고 제조될 수 있다.
카트리지 시스템 및 플레이트 시스템에 포함된 입자 및 유체는 수작업으로 또는 자동화된 기기, 예를 들어 피펫팅 로보트를 이용하여 옮겨질 수 있다.
입자 여과를 위한 다른 시스템 포맷
상이한 포맷의 다른 시스템은 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않게 디자인되고 제조될 수 있다. 예를 들어, 여과 장치는 저장소, 및 여과물, 잔존물 및 임의적으로 다른 분획을 시험관 또는 다중웰 플레이트로 분해하기 위한 분배 팁과 통합될 수 있다. 본 발명의 다른 구체예에서, 장치는 베큠니들(vacutainer)에 연결된다.
시스템 제작 기술
일부 구체예에 따르면, 상술된 시스템은 표준 제작 기술, 예를 들어 사출 성형, 엠보싱, 몰딩, 핫 엠보싱, 스테레오 리소그래피 등을 이용하여 플라스틱으로 제조될 수 있다. 하우징을 위한 플라스틱 재료는 예를 들어 폴리미텔실록산(PDMS), 환형 올레핀 코폴리머(COC), 환형 올레핀 폴리머(COP), 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 감압 재료, 테플론, 아크릴, 폴리에테르설폰, 폴리테트라플루오로에틸렌, 등을 포함할 수 있다. 이러한 시스템은 표준 멸균 기술, 예를 들어 감마 조사, 에틸렌 옥사이드(EO) 멸균, 자외선 조명 등을 이용하여 멸균될 수 있다.
장치 및 시스템의 작동
본 발명의 다양한 양태 및 구체예에서, 입자 및 유체는 유체 흐름, 구동 압력, 진공, 헤드 높이, 중력, 원심력, 자기력, 모세관 작용, 전기장, 전기영동장, 유전영동장, 전기-삼투력, 동전기력, 또는 상기 힘들의 조합을 이용하여 장치 또는 시스템을 통해 구동될 수 있다. 또한, 가요성 백을 포함한 장치 또는 시스템을 대하여, 구동 압력은 백 상에 압력을 가함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 백은 두 개의 강성 플레이트 사이에 샌드위칭될 수 있다. 백 내의 압력은 플레이트 사이의 간격 또는 플레이트 상에 가해진 압력을 조절함으로써 생성되고 조절될 수 있다.
입자 및 유체는 또한 하나 이상의 펌프, 연동 펌프, 시린지 펌프, 원심분리, 또는 이들의 조합을 이용하여 구동되거나 옮겨질 수 있고, 하나 이상의 밸드 또는 라인 클램프, 예를 들어 핀치 밸브, 체크 밸브, 밴트 밸브, 라인 클램프 등을 이용하여 조절될 수 있다. 또한, 입자 및 유체는 또한 닫힌 시스템 내에서, 열린 시스템에서, 피펫을 이용하거나, 피펫팅 로보트를 이용하거나, 하나 이상의 베큠니들의 흡입을 이용하거나, 이들의 조합을 이용하여 조절될 수 있다.
본 발명의 장치 및 시스템의 양태 및 구체예는 또한 온도 조절로 작동될 수 있다. 온도 조절, 예를 들어 가열 요소, 냉각 요소, 및 온도계 성분은 여과 공정의 재현성을 증가시키거나 여과 공정을 최적화하기 위해 장치 또는 시스템에 도입될 수 있다. 예를 들어, 지방줄기세포 분획(SVF) 제조에서, 가공될 유체의 점도를 감소시키기 위하여 장치의 온도를 약 25℃ 내지 약 37℃로 셋팅하는 것이 유리할 수 있다.
패키징 및
키트
본 발명의 다른 구체예에서, 장치 또는 시스템은 제제, 예를 들어 담체 유체로 사전로딩되거나 사전에 채워질 수 있다. 본 발명의 또 다른 구체예에서, 장치 또는 시스템은 키트를 형성하기 위해 제제, 사용자 매뉴얼, 설명서, 표지, 작동 프로토콜, 데이타 워크시트, 1회용 부품, 수집 튜브, 피펫 팁, 이송 피펫, 베큠니들, 시험 스트립, 바이오칩, 측면 흐름 시험 스트립, 세포 계수 챔버, 혈구 계수기(혈구 계수기), 및/또는 다른 장치와 패키징될 수 있다. 여러 장치 또는 시스템은 하나의 키트로서 패키징되거나 시판될 수 있다. 본 발명의 다른 구체예에서, 장치, 시스템 또는 키트는 멸균될 수 있다. 본 발명의 또 다른 구체예에서, 장치 또는 시스템은 추가의 멸균 이점을 위해서 개별적으로 패키징될 수 있다.
본원에 기술된 다양한 구체예는 단지 일 예로서, 본 발명의 범위를 한정하도록 의도되지 않는 것으로 이해된다. 본 발명의 기술된 방법 및 장치의 다양한 개질예, 조합예, 및 변형예는 당업자에게 본 발명의 범위 및 사상을 벗어나지 않게 명확하게 될 것이다. 예를 들어, 본원에 기술된 다수의 재료 및 구조는 본 발명의 사상을 벗어나지 않으면서 다른 재료 및 구조로 치환될 수 있다. 또한, 본원에 기술된 유체 흐름은 전기장, 전기영동장, 및 동전기 흐름, 중력, 또는 원심력으로 치환될 수 있다. 또한, 본원에 기술된 다양한 이론 및 설명은 제한적인 것으로 의도되지 않는 것으로 이해된다. 예를 들어, 본원에 기술된 구체예는 본 발명의 사상을 벗어나지 않으면서 입자를 구동시키기 위해, 유체 흐름, 압력 강하, 동수압, 진공, 헤드 높이, 중력, 원심력, 전기장, 전기영동장, 동전기력, 또는 이들의 조합을 이용할 수 있다.
본원에 기술된 여러 구체예에서의 필터가 기둥 및 기공을 포함하지만, 유동 배제 또는 다른 비-크기-배제 여과 매커니즘을 이용하는 기공을 포함하는 다른 필터 디자인이 본 발명의 사상을 벗어나지 않게 이용될 수 있는 것으로 인식된다. 또한, 본 발명의 구체예는 더욱 복잡한 장치, 시스템 또는 기기를 형성하기 위해 다른 구성성분 또는 공정들과 결합될 수 있는 것으로 인식된다.
실시예
실시예
1. 보유 크기의
폴리머
미소구체 분리 및 측정
3.0 ㎛ 및 6.9 ㎛ 직경의 형광성 폴리머 미소구체를 도 14b에 도시된 것과 같은 이중 필터 모듈을 포함하는 장치를 이용하여 분리하였다. 이중 필터 모듈은 캐널 및 30 ㎛ 깊이의 챔버, 및 각각 165개의 기둥을 포함하는 두 개의 필터로 이루어졌다. 상기 기둥은 30 ㎛ 높이이며, 12 ㎛ 간격을 가지며, 이에 의해 12 ㎛의 물리적 기공 크기를 갖는 기공을 형성시킨다. 기공을 통한 유속이 잔존물 챔버 유입구에서 유속의 약 0.22% 내지 약 0.28%이도록 잔존물 챔버 및 여과물 챔버를 디자인하였다. 이중 필터 모듈은 약 4 ㎜ 길이 및 0.25 ㎜ 폭이다.
장치를 표준 미세제작 기술을 이용하여 규소에서 제작하였다. 포토리소그래피 및 심도 규소 반응성 에칭을 이용하여 유체 채널, 챔버 및 필터 구조물을 생성시켰다. 에칭 깊이는 30 ㎛이다. 규소 기재를 유리 웨이퍼에 대해 에칭된 채널 면 상에서 시일링하여 양극 결합을 이용하여 둘러싸여진 유체 채널을 형성시켰다. 이후에, 결합된 웨이퍼를 개개 장치로 다이싱하였다. 장치를 외부 유체 저장소로 플라스틱 인클로저(plastic enclosure)로 기계적으로 연결시켜 샘플 유체를 전달하였다.
샘플 유체는 1% 소 혈청 알부민을 함유한 둘베코의 포스페이트-완충된 염 용액에 현탁된 3.0 ㎛ 및 6.9 ㎛ 직경의 형광성 폴리머 미소구체로 이루어졌다. 미소구체의 밀도는 1.05 g/㎤였다. 샘플 유체 중의 3.0 ㎛ and 6.9 ㎛ 미소구체의 부피 농도는 각각 0.00004% 및 0.00048%이었으며, 이는 ㎕ 당 각각 약 28개의 미소구체이다. 이러한 농도에서, 입자-입자 상호작용은 무시할 수 있다.
장치를 형광 현미경 상에 탑재시켜 형광성 폴리머 미소구체를 시각화하였다. 담체 유체를 플라스틱 인클로저에서 담체 유체 저장소에 첨가하여 장치를 프라이밍하였다. 담체 유체는 1% 소 혈청 알부민을 함유한 둘베코의 포스페이트-완충된 염용액으로 이루어졌다. 이후에, 샘플 유체를 샘플 저장소에 첨가하였다. 이후에, 두 저장소 모두를 잔존물 및 여과물 저장소의 수준 보다 높게 상승시켜 약 30 ㎝의 헤드 높이를 형성시켰다. 유체를 중력 및 헤드 높이로 장치를 통해 구동시켰다. 이중 필터 모듈에서의 평균 유속은 약 1.5 ㎝/s로서, 이는 약 0.45의 챔버 중의 레이놀드 수에 상응한다. 채널 깊이는 레이놀드 수의 계산에서 특정 길이로서 사용되었다. 흐름은 레이놀드 수에서 층류이다.
장치를 통해 흐르는 형광성 폴리머 미소구체를, 이러한 것들이 이중 필터 모듈을 떠날 때 수작업으로 계수하였다. 결과는 하기 표에 나타내었다:
3.0 ㎛ 미소구체는 보유가 거의 일어나지 않는 베이스라인을 나타내고, 약 0%의 보유율을 갖는다. 6.9 ㎛ 미소구체예 대한 보유률은 약 99%로서, 이는 3.0 ㎛ 미소구체예 의해 설정된 베이스라인 보다 실질적으로 높다. 이에 따라, 이중 필터 모듈의 "보유 크기"는 3.0 ㎛ 내지 6.9 ㎛ 범위인 것으로 결정되었으며, 이는 12 ㎛의 물리적 기공 크기의 < 58%이다. 이러한 보유 크기를 갖는 이중 필터 모듈에 대하여, 구성 기공의 "유효 기공 크기"는 6.9 ㎛ 이하이어야 한다. 본원에서의 대표적인 장치는 물리적 기공 크기의 < 58%의 유효 기공 크기를 갖는다.
보유 크기 및 유효 기공 크기를 측정하기 위해 폴리머 미소구체를 이용하는 대표적인 방법이 여과 장치의 의도된 용도와는 무관하게 보유 크기를 특징분석하기 위한 표준 시험으로서 다른 여과 장치에 적용될 수 있는 것으로 인식된다. 예를 들어, 하기 실시예 2, 3, 4 및 5에서 사용된 장치는, 장치가 세포 가공을 위해 의도된 것이지만, 폴리머 미소구체를 이용하여 특징분석될 수 있다.
실시예
2. 전 말초 혈액으로부터 백혈구의 단리
백혈구를 전 말초 혈액으로부터 고밀도 모듈 장치를 이용하여 단리하였다.
대표적인 장치는 각각 이중 필터 모듈을 포함하는 72개의 여과 유닛(도 24b에서 249), 담체 유체 유입구 포트(도 24b에서 247), 샘플 유입구 포트, 잔존물 유출구 포트, 두 개의 여과물 유출구 포트, 및 이중 필터 모듈 및 포트를 연결시키는 채널을 포함하는, 도 24b에 도시된 바와 같은 고밀도 모듈 장치이다. 장쳉서 채널 및 챔버는 30 ㎛ 깊이이다. 이중 필터 모듈은 각각 240개의 기공을 포함하는 2개의 필터로 이루어졌다. 각 기공은 30 ㎛×12 ㎛의 단면을 가지며, 이에 의해 12 ㎛의 물리적 기공 크기를 갖는다. 기공을 통한 유속이 잔존물의 챔버의 유입구에서 유속의 약 0.12% 내지 약 0.18%이도록 이중 필터 모듈의 잔존물 챔버 및 여과물 챔버를 디자인하였다. 장치는 25 ㎜ 길이, 24 ㎜ 폭, 0.6 ㎜ 두께이고, 600 ㎟ (25 ㎜×24 ㎜)의 풋프린트를 갖는다.
실시예 1에 기술된 방법을 이용하여, 유효 기공 크기 및 보유 크기를 측정하였다. 장치의 보유 크기는 약 4 ㎛이며, 이는 12 ㎛의 물리적 기공 크기보다 현저히 작은 것으로 추정되었다.
장치를 표준 미세제작 기술을 이용하여 규소에서 제작하였다. 포토리소그래피 및 심도 규소 반응성 에칭을 이용하여 유체 채널, 챔버, 및 필터 구조물을 생성시켰다. 에칭 깊이는 30 ㎛이었다. 규소 기재를 유리 웨이퍼에 대해 에칭된 채널 면 상에 시일링하여 양극 결합을 이용하여 둘러싸여진 유체 체널을 형성시켰다. 이후에 결합된 웨이퍼를 개개 장치로 다이싱하였다. 장치를 외부 샘플, 담체 유체, 잔존물, 및 여과물 저장소를 포함하는 플라스틱 인클로저에 기계적으로 결합시켰다.
인간 전 말초 혈액을 본 실시예에서 샘플로 이용하였다. 혈액을 K2EDTA, ACD, 또는 헤파린 베큠니들을 이용하여 동의한 성인 도너로부터 취하였다[Becton Dickinson, Franklin Lakes, New Jersey]. 혈액 샘플의 헤마크리트(hematocrit)는 약 40%이었다. 혈액은 ㎖ 당 40억개 초과의 적혈구를 함유하였다. 헤마크리트는 적혈구에 의해 차지한 혈액 부피의 비율이다. 혈액을 채혈로부터 6 시간 내에 실온에서 가공하였다. 0.5% 소 혈청 알부민 및 2 mM K2EDTA를 함유한 둘베코 포스페이트 완충된 염수 용액을 담체 유체로서 사용하였다.
8 ㎖의 담체 유체를 플라스틱 인클로저에서 담체 유체 저장소에 첨가하여 장치를 프라이밍하였다. 이후에 4 ㎖의 전혈을 샘플 저장소에 첨가하였다. 이후에 저장소 둘 모두를 잔존물 및 여과물 저장소의 수준 보다 높게 하여 약 40 cm의 헤드 높이를 형성시켰다. 혈액 및 담체 유체를 중력 및 헤드 높이에 의해 장치를 통해 구동시켰다. 여과물 및 잔존물을 각각 여과물 및 잔존물 저장소에서 수집하였다. 약 40분 후에, 혈액을 장치를 통해 완전히 가공하였다. 이후에 여과물 및 잔존물을 자동화된 세포 계수기(Coulter AcT diff hematology analyzer, Beckman Coulter, Fullerton, California)를 이용하여 측정하고 분석하였다. 단리된 백혈구의 생존력을 구동 후, 프로피듐 아이오다이드, 세포에 손상된 막(compromised membrane)이 침투된 착색제, 혈구 계수기 및 형광 현미경을 이용하여 바로 측정하였다.
얻어진 잔존물 및 여과물 부피는 각각 약 3.5 ㎖ 및 7.6 ㎖이었다. 백혈구를 잔존물로서 담체 유체에서 수집하였다. 이러한 실험을 두 명의 상이한 도너로부터의 혈액 샘플을 이용하여 2회 수행하였다. 결과는 도 33에 나타내었다. 평균적으로, 전혈 가공 처리량은 약 5.4 ㎖/hr이었다. 본 장치는 초 당 6백만개 이상의 세포를 가공하는 능력을 나타내었다. 백혈구 보유는 약 94%이었으며, 적혈구 캐리오보는 약 2%이었으며, 혈소판 캐리오버는 < 1%이었다. 여기서, 적혈구 캐리오버 및 혈소판 캐리오버는 각각 적혈구 및 혈소판의 보유률을 칭한다. 가공 후의 백혈구 생존력은 가공 전의 것과 측정 오차 내에서 차이가 없었다. 이러한 측정에서는, 본 장치 및 단리 공정이 백혈구 생존력을 감소시키지 않으며, 본 장치가 > 99% 생존력으로 백혈구를 단리시킬 수 있음을 나타내었다.
성능 및 비용 효율 매트릭스는 하기에 나타내었다. 대표적인 장치에서 여과 모듈의 정지 부피는 약 0.03 ㎕이었다. 각 여과 유닛은 480개의 기둥으로 이루어졌고, 8.4 ㎟ 미만의 풋프린트를 차지하였다(즉, 25 ㎜×24 ㎜의 장치 풋프린트는 72개의 여과 유닛으로 나눔). 이에 따라, 30 ㎛의 채널 깊이, 600 ㎟ (25 ㎜×24 ㎜)의 장치 풋프린트, 및 장치 상의 72개의 여과 유닛과 관련하여, 장치의 "여과 유닛 밀도"는 하기와 같다:
대표적인 장치의 "정규화된 가공 속도"는 하기와 같이 계산된다:
이러한 "정규화된 가공 속도"는 이러한 장치 상의 채널 및 필터 구조물의 매 입방 밀리미터는 초당 0.33×106개의 세포의 가공에 기여함을 의미한다.
대표적인 장치의 디자인 효율 지수는 하기와 같이 계산된다:
장치에서 공급물 혈액 세포가 경험할 수 있는 최대 전단률은 컴퓨터 모델링에 따라, 공급물 유입구 채널의 표면에서 일어난다. 최대 전단률은 컴퓨터 유체 동력학을 이용하여 계산될 수 있거나, 흐름 프로파일이 공급물 유입구 채널에서 포물선이라고 추정하여 하기와 같이 분석적으로 추정되었다. 장치가 144개의 공급물 유입구 채널(모듈 당 2개, 72개의 모듈)을 포함하며 각 유입구 채널이 70 ㎛×30 ㎛의 공지된 단면을 갖는다는 사실로부터, 공급물 유입구 채널에서 평균 유속 <ν>이 하기와 같이 계산된다:
이에 따라, 포물선 흐름 프로파일을 추정하는 공급물 유입구 채널의 표면에서의 전단률은 하기와 같다:
이에 따라, 대표적인 장치의 디자인 효율 지수(D.E.I.)는 하기와 같다:
유사하게, 대표적인 장치의 여과 유닛의 디자인 효율 지수(D.E.I.)가 계산될 수 있다. 장치 상에 72개의 여과 유닛이 존재하기 때문에, 각 여과 유닛은 0.0208 ㎣/s (1.5 ㎣/s를 72로 나눔)의 공급물 가공 처리량에 기여하였다. 여과 유닛의 평균 풋프린트는 8.33 ㎟ (25 ㎜×24 ㎜ ÷ 72)이었다. 이에 따라, 여과 유닛의 디자인 효율 지수(D.E.I.)는 하기와 같다:
장치가 단일 여과 유닛 보다 매우 높은 가공 처리량을 가짐에도 불구하고, 여과 유닛에 대한 디자인 효율 지수는 본 장치의 것과 정확하게 동일하다. 폴리머 미소구체가 의도된 용도와는 무관하게 장치의 보유 크기를 측정하기 위해 표준 시험으로서 사용될 수 있지만, 디자인 효율 지수는 이의 채널 크기, 작동 유속 및 보유 크기와는 무관하게 장치의 표준 특징으로서 사용될 수 있는 것으로 인식된다.
실시예
3.
전혈의
백혈구 감소
실시예 2에서의 대표적인 장치는 백혈구-감소 필터로서 제공될 수 있다. 장치의 여과물은 장치로 진입하는 단지 6% 이하의 백혈구만을 함유하였다. 실시예 2에서는, 본 발명의 장치가 전혈로부터 백혈구를 감소시키기 위해 사용될 수 있음을 나타내었다. 담체 유체와 함께, 또는 없는 다른 장치 구성은 또한 백혈구-감소 필터로서 사용될 수 있다.
실시예
4. 말초 혈액으로부터 림프구의 단리
고밀도 모듈 장치를 이용하여 말초 혈액으로부터 림프구를 단리하였다.
대표적인 장치는 도 17c에 도시된 바와 같은 필터 캐스케이드 모듈을 각각 포함하는 87개의 여과 유닛을 포함한 고밀도 모듈 장치이다. 각 필터 캐스케이드 모듈은 제1 이중 필터 모듈(도 17c에서 요소(171)) 및 담체 유체 유입구(도 17c에서 요소(175))를 포함하는 제2 이중 필터 모듈(도 17c에서 요소(172))로 이루어졌다. 장치에서 채널 및 챔버는 30 ㎛ 깊이를 갖는다. 제1 이중 필터 모듈은 각각 116개의 기공을 포함하는 두 개의 필터로 구성된다. 각 기공은 30 ㎛×12 ㎛의 단면을 가지며, 이에 의해 12 ㎛의 물리적 기공 크기를 갖는다. 기공을 통한 유속이 제1 이중 필터 모듈의 잔존물 챔버의 유입구에서 유속의 약 0.29%이도록 제1 이중 필터 모듈의 잔존물 챔버 및 여과물 챔버를 디자인하였다. 제2 이중 필터 모듈은 각각 120개의 기공을 포함한 두 개의 필터로 구성된다. 각 기공은 30 ㎛×12 ㎛의 단면을 가지며, 이에 의해 12 ㎛의 물리적 기공 크기를 갖는다. 각 기공을 통한 유속이 제2 이중 필터 모듈의 잔존물 챔버의 유입구에서 유속의 약 0.34%이도록 제2 이중 필터 모듈의 잔존물 챔버 및 여과물 챔버를 디자인하였다. 본 장치는 21 ㎜ 길이, 24 ㎜ 폭, 0.6 ㎜ 두께이고, 504 ㎟ (21 ㎜×24 ㎜)의 풋프린트를 갖는다.
본 장치를 표준 미세제작 기술을 이용하여 규소에서 제작하였다. 포토리소그래피 및 심도 규소 반응성 에칭을 이용하여 유체 채널, 챔버 및 필터 구조물을 형성시켰다. 에칭 깊이는 30 ㎛이었다. 양극 결합을 이용하여 규소 기재를 유리 웨이퍼에 대해 에칭된 채널 면 상에서 시일링하여 둘러싸여진 유체 채널을 형성하였다. 이후에 결합된 웨이퍼를 개개 장치로 다이싱하였다. 본 장치를 외부 샘플, 담체 유체, 잔존물, 및 여과물 저장소를 포함하는 플라스틱 인클로저에 기계적으로 연결시켰다.
인간 전 말초 혈액을 본 실시예에서 샘플로 이용하였다. 혈액을 K2EDTA, ACD, 또는 헤파린 베큠니들을 이용하여 동의한 성인 도너로부터 취하였다[Becton Dickinson, Franklin Lakes, New Jersey]. 혈액을 한크 평형 염 용액으로 1:1로 희석시키고, 실온에서 채혈 후 8 시간 내에 가공하였다. 0.5% 소 혈청 알부민 및 2 mM K2EDTA를 함유한 한크 평형 염 용액을 담체 유체로서 사용하였다.
10 ㎖의 담체 유체를 플라스틱 인클로저에서 담체 유체 저장소에 첨가하여 장치를 프라이밍하였다. 이후에 8 ㎖의 전혈을 샘플 저장소에 첨가하였다. 이후에 저장소 둘 모두를 잔존물 및 여과물 저장소의 수준 보다 높게 하여 약 45 cm의 헤드 높이를 형성시켰다. 혈액 및 담체 유체를 중력 및 헤드 높이에 의해 장치를 통해 구동시켰다. 여과물 및 잔존물을 각각 여과물 및 잔존물 저장소에서 수집하였다. 약 40분 후에, 혈액을 장치를 통해 완전히 가공하였다. 이후에 여과물 및 잔존물을 자동화된 세포 계수기(Coulter AcT diff hematology analyzer, Beckman Coulter, Fullerton, California)를 이용하여 측정하고 분석하였으며, 여기서 림프구, 단핵구, 과립구, 적혈구 및 혈소판을 별도로 계수하였다.
8 ㎖의 혈액 샘플 및 10 ㎖의 담체 유체가 약 5 ㎖의 잔존물 및 약 13 ㎖의 여과물에서 얻어졌다. 림프구를 담체 유체에서 잔존물로서 수집하였다. 이러한 실험을 상이한 두 도너로부터의 혈액 샘플을 이용하여 2회 수행하였다. 결과는 도 34a 내지 도 34d에 나타내었다. 평균 가공 처리량은 9.2 ㎖/hr이며, 단리된 림프구 순도는 >90%이며, 즉 잔존물 중의 모든 백혈구의 >90%는 림프구이다. 적혈구 캐리오버는 <0.5%이며, 혈소판 캐리오버는 <1%이다. 여기서 사용된 희석된 혈액은 1 ㎖ 당 20억개 초과의 적혈구를 함유하였다. 이에 따라, 본 장치는 초당 5백만개 이상의 세포를 처리하는 능력을 나타내었다.
여기서 대표적인 장치는, 각 모듈이 높은 효율 및 성능으로 림프구를 단리시킬 수 있으며 이러한 다수의 모듈이 고밀도 모듈 장치로서 동시에 작동할 수 있음을 나타내었다. 상세하게, 각 여과 유닛은 472개의 기둥을 포함하고, 5.8 ㎟ 미만의 풋프린트를 차지한다(즉, 21 ㎜×24 ㎜의 장치 풋프린트는 87개의 여과 유닛으로 나누어짐). 대표적인 장치에서 여과 모듈의 정지 부피는 약 0.015 ㎕이다. 이에 따라, 30 ㎛의 채널 깊이, 504 ㎟ (21 ㎜×24 ㎜)의 장치 풋프린트, 및 장치 상의 87개의 여과 유닛과 관련하여, 본 장치의 "여과 유닛 밀도"는 하기와 같다:
대표적인 장치 지수의 "정규화된 가공 속도"는 하기와 같이 계산된다:
이러한 "정규화된 가공 속도"는 이러한 장치 상의 채널 및 필터 구조물의 매 입방 밀리미터는 초당 3십3만개의 세포의 가공에 기여함을 의미한다.
본 실시예는 본 발명의 일부 양태 및 구체예에서 유동 배제의 복잡한 특성, 및 최근의 종래 기술의 측면에서 예측되거나 명확하지 않는 방식으로, 혈액으로부터 림프구를 단리시키는 것과 같이 복잡한 유체로부터 성분들을 단리시키기 위해 유동 배제를 어떻게 이용할 수 있는지를 전형적으로 보이고 있다. 특히, 혈액에서 주요 타입의 세포, 예를 들어 적혈구, 과립구, 단핵구 및 림프구는 장치의 물리적 기공 크기에 비해 실질적으로 작았다. 적혈구, 과립구, 단핵구 및 림프구의 평균 세포 직경은 각각 대략적으로 7 ㎛, 8 ㎛, 6 ㎛, 및 5 ㎛이었다. 또한, 림프구는 4개의 주 세포 타입 중에서 가장 작은 성분으로서, 적혈구, 과립구, 및 단핵구에 대해 각각 약 90 fl, 250 fl, 및 120 fl과 비교하여, 약 60 fl의 평균 세포 부피를 갖는다. 그러나, 림프구는 대표적인 장치에서 필터에 의해 실질적으로 보유되는 유일한 세포 타입으로서, 이는 다른 모든 세포 타입에 대해 약 0%의 보유률과 비교하여 약 60%의 보유률을 갖는다(도 34c).
본 실시예는 또한 대표적인 적용에서의 분리 공정이 확률적이며, 입자 보유가 확률, 즉 보유 확률 또는 보유률을 이용하여 가장 잘 기술된다는 것을 명확히 나타내었다. 특히, 혈액 세포의 이동 경로는 임계 크기에 따라 미리 결정될 수 있고, 적어도 단독으로 미리 결정될 수 없다. 보유 확률에 영향을 미칠 수 있는 가능한 인자는 세포-세포 상호작용, 브라운 운동, 세포 변형, 및 흐름 패턴의 작은 변화를 포함한다.
실시예
5. 인간 제대혈의 부피 감소 및 높은 세포 생존력으로 조혈 줄기 세포의 농축
고밀도 모듈 장치를 이용하여, 제대혈의 부피를 감소시키고, CFC-GM을 포함하는, 백혈구, CD34+ 세포, 및 콜로니 형성 줄기 세포 및 간세포를 높은 세포 생존력으로 회수하였다.
본 실시예에서 사용되는 장치는 각각 도 17c에 도시된 바와 같은 필터 캐스케이드 모듈을 포함한 87개의 여과 유닛을 포함하는 고밀도 모듈 장치이다. 각 필터 캐스케이드 모듈은 제1 이중 필터 모듈(도 17c에서 요소(171)), 및 제2 이중 필터 모듈(도 17c에서 요소(172))로 구성된다. 본 장치에서의 채널 및 챔버는 30 ㎛ 깊이를 갖는다. 제1 이중 필터 모듈은 각각 120개의 기공을 포함하는 두 개의 필터로 구성된다. 각 기공은 30 ㎛×12 ㎛의 단면을 가지며, 이에 의해 12 ㎛의 물리적 기공 크기를 갖는다. 기공을 통한 유속이 제1 이중 필터 모듈의 잔존물 챔버의 유입구에서 유속의 약 0.28%로 되도록 제1 이중 필터 모듈의 잔존물 챔버 및 여과물 챔버를 디자인하였다. 제2 이중 필터 모듈은 각각 320개의 기공을 포함한 두 개의 필터로 구성된다. 각 기공은 30 ㎛×12 ㎛의 단면을 가지며, 이에 의해 12 ㎛의 물리적 기공 크기를 갖는다. 기공을 통한 유속이 제2 이중 필터 모듈의 잔존물 챔버의 유입구에서 유속의 약 0.14%이도록 제2 이중 필터 모듈의 잔존물 챔버 및 여과물 챔버를 디자인하였다. 본 장치는 23 ㎜ 길이, 24 ㎜ 폭, 0.6 ㎜ 두께이고, 552 ㎟ (23 ㎜×24 ㎜)의 풋프린트를 갖는다.
본 장치의 보유 크기는 약 4 ㎛인 것으로 추정되었는데, 이는 12 ㎛의 물리적 기공 크기보다 매우 작은 것이다.
본 장치를 표준 미세제작 기술을 이용하여 규소에서 제작하였다. 포토리소그래피 및 심도 규소 반응성 에칭을 이용하여 유체 채널, 챔버 및 필터 구조물을 형성시켰다. 에칭 깊이는 30 ㎛이었다. 양극 결합을 이용하여 규소 기재를 유리 웨이퍼에 대해 에칭된 채널 면 상에서 시일링하여 둘러싸인 유체 채널을 형성하였다. 이후에 결합된 웨이퍼를 개개 장치로 다이싱하였다. 본 장치를 외부 샘플, 담체 유체, 잔존물, 및 여과물 저장소를 포함하는 플라스틱 인클로저에 기계적으로 연결시켰다.
인간 제대혈을 본 실시예에서 샘플로 이용하였다. 혈액을 제대혈 수집 백(Fenwal Inc., 일리노이주의 라운드레이트시에 소재)을 이용하여 동의한 성인 여성으로부터 수집하였다. 제대혈 수집 백은 항혈액응고제로서 시트레이트 포스페이트 덱스트로즈(CPD)를 함유하였다. 혈액을 실온에서 채열 후 6 시간 이내에 가공하였다.
12 ㎖의 제대혈을 추가 희석 없이 장치에 첨가하였다. 제대혈 공급물의 헤마크리트는 19% 내지 45% 범위로서, 평균적으로 1 ㎖ 당 28억개의 적혈구를 함유하였다. 헤마크리트는 적혈구에 의해 차지한 혈액 부피의 비율이다. 혈액을 중력 및 약 40 ㎝의 헤드 높이에 의해 장치를 통해 구동시켰다. 여과물 및 잔존물을 여과물 저장소 및 잔존물 저장소에서 각각 수집하였다. 백혈구, CD34+ 세포, 및 콜로니 형성 줄기 세포 및 간세포는 잔존물로서 회수된 것으로 예상되었다. 약 1 시간 후에, 혈액을 장치로부터 전부 가공하였다. 이후에 자동화된 세포 계수기(Coulter AcT diff hematology analyzer, Beckman Coulter, 캘리포니아주 풀러턴시에 소재)를 이용하여 측정하고 분석하여 백혈구 회수 수율을 계산하였다. 회수된 세포의 생존력을 구동 후, 프로피듐 아이오다이드, 세포에 손상된 막이 침투된 착색제, 혈구 계수기 및 형광 현미경을 이용하여 바로 측정하였다. CD34+ 세포 회수율을 유동세포 분석법(flow cytometry)을 이용하여 측정하였다. 콜로니 형성 세포를 계수하기 위하여, 제대혈 및 잔존물을 암모늄 클로라이드 용해 용액(Stemcell Technologies, 캐나다 브리티시컬럼비아주 밴쿠버시에 소재)과 혼합하여 적혈구를 용해시키고, 세척한 후에, 37℃, 5% CO2 및 높은 습도로 셋팅된 인큐베이터를 이용하여 메틸셀룰로즈 성장 배지(Stemcell Technologies, 캐나다 브리티시컬럼비아주 밴쿠버시에 소재)에서 14일 동안 배양하였다. 14일 후에, CFC-GM 콜로니를 도립 현미경(inverted microscope)을 이용하여 수작업으로 계수하였다.
실험 결과는 도 35a 내지 35c에 나타내었다. 백혈구, CD34+ 세포, 및 콜로니 형성 세포(예를 들어, CFC-GM)를 잔존물에서 각각 약 88%, 87% 및 92%의 회수 수율로 회수하였다. 본 장치는 제대혈 부피를 약 5.4배 정도로 감소시켰으며, 즉 잔존물 부피는 제대혈 공급물 부피의 약 18.5%였다. 이러한 부피 감소 배수와 관련하여, 100 ㎖의 제대혈은 18.5 ㎖로 감소될 것이다. 가공 전 및 후의 세포 생존력은 측정 오차 내에서 실질적으로 동일하고, >99%이다. 가공 처리량은 평균적으로 약 11.4 ㎖/hr이었다. 처리량은 초당 약 9백만개의 세포를 처리하는 것과 동일하다.
대표적인 장치의 "정규화된 가공 속도"는 하기와 같이 계산된다:
이러한 대표적인 장치 상에 제작된 채널 및 필터 구조물의 매 입방 밀리미터는 초당 54만개의 세포의 가공에 기여된다.
본 실시예는, 사용된 장치가 제대혈 줄기 세포 및 간세포를 매우 양호한 회수 수율 및 세포 생존력으로 농축시킬 수 있음을 나타내었다. 상세하게, 각 여과 유닛은 880개의 기둥으로 구성되고, 6.4 ㎟ 미만의 풋프린트를 차지하였다(즉, 23 ㎜×24 ㎜의 장치 풋프린트를 87개의 여과 유닛으로 나눔). 대표적인 장치에서 여과 모듈의 정지 부피는 약 0.04 ㎕이었다. 이에 따라, 30 ㎛의 채널 깊이, 552 ㎟ (23 ㎜×24 ㎜)의 장치 풋프린트, 및 장치 상의 87개의 여과 유닛과 관련하여, 장치이의 "여과 유닛 밀도"는 하기와 같다:
사용된 장치의 디자인 효율 지수는 하기와 같이 계산된다:
본 장치에서의 최대 전단률은 유입구에 가까운 잔존물 챔버의 표면에서 일어난다. 최대 전단률은 컴퓨터 유체 동력학을 이용하여 계산될 수 있거나, 흐름 프로파일이 공급물 유입구 채널에서 포물선이라고 추정하여 하기와 같이 분석적으로 추정되었다. 장치가 87개의 여과 모듈을 포함하며 각 잔존물 챔버가 130 ㎛×30 ㎛의 공지된 단면을 갖는다는 사실로부터, 유입구에서의 잔존물 챔버에서의 평균 유속 <ν>이 하기와 같이 계산된다:
이에 따라, 포뮬선 흐름 프로파일을 추정하는 잔존물 챔버의 표면에서의 전단률은 하기와 같다:
이에 따라, 대표적인 장치의 디자인 효율 지수(D.E.I.)는 하기와 같다:
실시예
6.
단리된
세포의 표지화
실시예 2에서의 대표적인 장치는 적어도 하나의 특정 항원에 대한 항체를 포함하는 담체 유체를 이용하여, 적어도 하나의 특정 항원을 갖는 세포의 서브집단을 표지화하기 위해 제공될 수 있다. 항체는 표적 세포를 형광적으로 또는 자기적으로 표지화하기 위해 형광체 또는 자기 비드에 콘주게이팅될 수 있다. 분리 공정 동안에, 잔존물 세포를 공급 스트림에서 담체 유체 스트림으로 유도하고, 항체와 혼합하였다. 특정 항원을 갖는 잔존물 세포를 표지화하고 잔존물로서 수집하였다. 임의적으로, 세척 용액을 담체 흐름과 동일한 방식으로 장치의 여과 모듈에 도입하여 이러한 것들이 모듈을 통해 흐를 때 세포를 세척할 수 있다. 분리 공정은 특이적 항체 표지화를 위해 바람직한 온도에서 수행될 수 있다. 이후에, 형광적으로 표지화된 세포를 계수하고, 유세포 계수기를 이용하여 특징분석하고, 자기적으로 표지화된 세포를 자석을 이용하여 단리시킬 수 있다. 혈액 중에 존재하는 백혈구 및 다른 세포의 서브집단을 표지화하기 위해 사용될 수 있는 항체는 항-CD45, 항-CD34, 항-CD71, 항-CD138, 항-CD14, 항-CD15, 항-CD3, 항-CD4, 항-CD8, 항-CD19, 항-HLA, 항-GPA, 항-CD271, 항-CD43, 항-CD10, 항-CD33, 항-CD66, 및 항-CD105 항체를 포함한다. 담체 유체는 잔존물을 표지화하거나, 처리하거나, 변형시키거나, 염색하거나, 세척하거나, 심지어 용해시키기 위해 항체와는 다른 제제를 포함할 수 있으며, 세포는 또한 당일한 방식으로 수행될 수 있다. 담체 흐름으로서 사용될 수 있는 가능한 제제는 핵산 염색제, 고정액, 냉동 용액, 알킬화제, 항체, 자성 비드, 효소, 콜라게나제, 리파제, DNase, 특정 효소의 기질, 시클로포스파미드의 활성 유도체, 성장 인자, 세정제, 및 용해 용액을 포함할 수 있다. 본 실시예는 원 스톱으로 분리 및 세포 표지화, 처리, 변형, 염색, 세척, 또는 용해를 수행하기 위한 본 발명의 여과 장치의 사용을 예시한 것이다. 이러한 방법은 CD34+ 줄기 세포의 단리, 순환 종양 세포의 단리, 지방줄기세포 분획의 제조, CD4+ 세포의 계수, 악성 혈장 세포의 단리, 알데히드 데히드로게나제 활성의 검출, 효소 활성을 기초로 한 특정 세포의 분리, 표면 항원을 기초로 한 특정 세포의 단리를 포함하는, 여러 적용에서 매우 유용할 것으로 기대된다.
다른
구체예
상기 설명으로부터, 변형예 및 개질예가 다양한 용법 및 조건으로 이를 변형시키기 위해 본원에 기술된 설명으로 이루어질 수 있다는 것이 자명할 것이다. 이러한 구체예는 또한 하기 청구범위 내에 속한다.
본원의 변수의 임의의 정의에서 요소의 리스팅의 기술은 이러한 변수의 정의를 리스팅된 요소 중 임의의 단일 요소 또는 이들의 조합(또는 서브-조합)으로서 포함한다. 본원의 구체예의 기술은 이러한 구체예를 임의의 단일 구체예, 또는 임의의 다른 구체예 또는 이의 일부와 조합한 것으로서 포함한다.
본 명세서에 언급된 모든 특허 및 공개문헌은 각 독립적인 특허 및 공개문헌이 참고문헌으로 포함될 것이라는 것을 상세하게 및 개별적으로 명시되어 있는 것과 동일한 범위로 본원에 참고문헌으로 포함된다.
이에 따라 본 명세서의 적어도 하나의 구체예의 여러 양태를 기술함과 함께, 다양한 변경, 개질, 및 개선이 당업자에게 용이하게 이루어질 것으로 인식된다. 이러한 변경, 개질 및 개선은 본 명세서의 일부인 것으로 의도되고 본 발명의 사상 및 범위 내에 속하는 것으로 의도된다. 이에 따라, 상기 설명 및 도면은 단지 일 예로서 제시된 것이다.
Claims (76)
- 입자 및 유체를 포함하는 공급물을 수용하도록 구성된 하나 이상의 유입구, 및 하나 이상의 잔존물 유출구를 포함하는 제1 유동 챔버,
하나 이상의 여과물 유출구를 갖는 원위 단부를 포함하는 제2 유동 챔버,
상기 제1 유동 챔버와 상기 제2 유동 챔버 사이에 위치된 필터, 및
여과 장치를 통해 상기 공급물을 이동시키기 위한 수단을 포함하되;
상기 필터는 제1 열의 기둥, 및 인접한 기둥들 사이의 간격에 의해 한정된 복수의 기둥을 포함하며, 복수의 기공의 각 기공이 상기 기공을 규정하는 인접한 기둥들 간의 거리에 의해 규정된 물리적 기공 크기, 및 상기 물리적 기공 크기보다 작은 유효 기공 크기를 포함하고,
상기 제1 유동 챔버, 상기 제2 유동 챔버, 상기 필터, 및 여과 장치를 통해 상기 공급물을 이동시키기 위한 상기 수단이 상기 제1 유동 챔버에서 잔존물로서 상기 기공의 유효 기공 크기보다 크고 상기 기공의 물리적 기공 크기보다 작은 크기를 갖는 입자의 실질적인 분획을 보유하고 여과물로서 상기 유체의 실질적인 분획을 상기 제2 유동 챔버로 통과시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 여과 장치. - 제1항에 있어서, 상기 제1 유동 챔버가 제1의 실질적으로 일정한 깊이를 포함하며, 상기 제2 유동 챔버가 제2의 실질적으로 일정한 깊이를 포함하며, 상기 필터와 상기 제1 유동 챔버의 측벽 사이의 거리가 하나 이상의 유입구에서 하나 이상의 잔존물 유출구로의 길이를 따라 감소하며, 상기 필터와 상기 제2 유동 챔버의 측벽 사이의 거리가 상기 제2 유동 챔버의 근위 단부에서 상기 원위 단부로의 길이를 따라 증가하는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 유동 챔버의 측벽에 접한 라인과 기둥의 열과 접한 라인 사이의 각도가 약 5도 미만인 것을 특징으로 하는 여과 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 기공의 서브세트가 실질적으로 동일한 물리적 기공 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 기공의 서브세트가 실질적으로 동일한 유효 기공 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
- 제1항에 있어서, 제1 열의 기둥이 상기 여과 장치에 존재하는 모든 기둥의 약 10% 초과하는 기둥을 포함하는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 유동 챔버의 길이 및 상기 제2 유동 챔버의 길이 보다 큰 값에 의해 규정된 장치 길이, 및 상기 제1 유동 챔버의 폭 및 상기 제2 유동 챔버의 폭의 가장 큰 총합의 포인트에서 상기 제1 유동 챔버의 폭 및 상기 제2 유동 챔버의 폭의 총합에 의해 규정된 장치 폭을 가지며, 상기 장치 폭에 대한 상기 장치 길이의 비율이 약 6 초과인 것을 특징으로 하는 여과 장치.
- 제1항에 있어서, 각 기공이 상기 기공의 물리적 기공 크기의 약 80% 미만인 유효 기공 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 챔버가 하나 이상의 유입구와는 다른 하나 이상의 담체 유체 유입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 유동 챔버 및 상기 필터 각각에는 상기 장치를 통한 유로에서 약 1 ㎛ 보다 작은 곡률 반경을 갖는 임의의 리딩 에지(leading edge)가 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
- 제1항에 있어서, 기공의 제1 서브세트가 기공의 제2 서브세트와 상이한 유효 기공 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 여과 장치가 제2 필터 및 제3 유동 챔버를 추가로 포함하며, 상기 제2 필터가 상기 제1 유동 챔버와 상기 제3 유동 챔버 사이에 배치되며, 상기 제3 유동 챔버가 근위 단부, 및 하나 이상의 유출구를 갖는 원위 단부를 포함하며, 상기 제3 챔버가 상기 근위 단부에서 상기 원위 단부로 길이를 따라 확장하는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
- 제12항에 있어서, 상기 제1 유동 챔버의 길이에 의해 규정된 장치 길이, 및 상기 제1 유동 챔버의 폭, 상기 제2 유동 챔버의 폭 및 상기 제3 유동 챔버의 폭의 가장 큰 총합의 포인트에서 상기 제1 유동 챔버의 폭, 상기 제2 유동 챔버의 폭 및 상기 제3 유동 챔버의 폭의 총합에 의해 규정된 장치 폭을 가지며, 상기 장치 폭에 대한 상기 장치 폭의 비율이 약 5 보다 큰 것을 특징으로 하는 여과 장치.
- 제12항에 있어서, 약 5,000개 미만의 기둥을 갖는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
- 제12항에 있어서, 상기 제1 필터 및 상기 제2 필터가 상기 여과 장치에 포함된 모든 기둥의 약 15% 초과하는 기둥을 포함하는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
- 제12항에 있어서, 상기 여과 장치가 상기 제1 유동 챔버의 중심선을 통한 거울면에 대해 실질적으로 대칭인 것을 특징으로 하는 여과 장치.
- 제12항에 있어서, 제1 열의 기둥에 의해 규정된 접선 및 제2 열의 기둥에 의해 규정된 접선이 평행하지 않은 것을 특징으로 하는 여과 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 여과 장치가 제2 필터, 제3 유동 챔버, 및 제4 유동 챔버를 추가로 포함하며, 상기 제2 필터가 상기 제3 유동 챔버와 상기 제4 유동 챔버 사이에 배치되며, 상기 제3 유동 챔버가 하나 이상의 유입구 및 하나 이상의 유출구를 포함하며, 상기 제4 유동 챔버가 하나 이상의 유출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
- 제18항에 있어서, 상기 제1 유동 챔버의 길이 및 상기 제3 유동 챔버의 총합에 의해 규정된 장치 길이, 및 상기 제1 유동 챔버의 폭 및 상기 제2 유동 챔버의 폭의 가장 큰 총합 포인트에서 상기 제1 유동 챔버의 폭 및 상기 제2 유동 챔버의 폭의 총합 보다 큰 값, 및 상기 제3 유동 챔버의 폭 및 상기 제4 유동 챔버의 폭의 가장 큰 총합 포인트에서 상기 제3 유동 챔버의 폭 및 상기 제4 유동 챔버의 폭의 총합 보다 큰 값에 의해 규정된 장치 폭을 가지며, 상기 장치 폭에 대한 상기 장치 길이의 비율이 약 10 초과인 것을 특징으로 하는 여과 장치.
- 제18항에 있어서, 약 5,000개 미만의 기둥을 갖는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
- 제18항에 있어서, 상기 제1 필터 및 제2 필터가 상기 여과 장치에 포함된 모든 기둥의 10% 이상의 기둥을 포함하는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
- 제18항에 있어서, 상기 제3 유동 챔버의 하나 이상의 유입구가 상기 제1 유동 챔버의 하나 이상의 유출구와, 및 상기 제2 유동 챔버의 하나 이상의 유출구와 유체 연결되는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
- 제22항에 있어서, 상기 제3 유동 챔버가 하나 이상의 유입구와는 다른 하나 이상의 담체 유체 유입구를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
- 입자를 여과하는 방법으로서,
하나 이상의 여과 유닛을 포함하되 각 여과 유닛이 공급물 유입구와 잔존물 유출구를 포함하는 제1 유동 챔버, 여과물 유출구를 포함하는 제2 유동 챔버, 및 상기 제1 유동 챔버와 상기 제2 유동 챔버 사이에 배치된, 물리적 기공 크기를 갖는 복수의 기공을 포함하는 필터를 포함하는 여과 장치를 제공하는 단계;
상기 공급물 유입구를 통해 장치로 침지되는 공급물 보다 물리적 기공 크기가 작은 크기를 갖는 공급물 액체 및 입자의 하나 이상의 집단을 포함하는 공급물을 도입하는 단계;
구동력을 적용하여, 상기 공급물을 상기 여과 장치를 통해 구동시키는 단계,
하나 이상의 집단의 입자의 실질적인 분획이 상기 제1 유동 챔버에서 잔존물로서 보유되며 상기 공급물 유체의 실질적인 분획이 여과물로서 상기 필터를 통해 제2 유동 챔버로 진행하도록 상기 공급물을 상기 여과 장치로 통과시키는 단계;
상기 잔존물을 상기 잔존물 유출구에서 수집하는 단계; 및
상기 여과물을 상기 여과물 유출구에서 수집하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자의 여과방법. - 제24항에 있어서, 상기 여과 장치를 제공하는 단계가 10개 초과의 여과 유닛을 포함하는 여과 장치를 제공하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자의 여과방법.
- 제24항에 있어서, 상기 공급물을 상기 장치에 도입하는 단계가 세포의 액체 현탁액을 상기 제1 유동 챔버에 도입하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자의 여과방법.
- 제26항에 있어서, 상기 공급물이 살아있는 세포를 포함하며, 상기 방법이 상기 공급물로부터 세포를 분리시킴을 추가로 포함하며, 상기 살아있는 세포 중 약 90% 이상이 분리 후에 살아있는 상태로 존재하는 것을 특징으로 하는 입자의 여과방법.
- 제26항에 있어서, 상기 방법이 상기 공급물로부터 상기 세포를 분리시킴을 추가로 포함하며, 상기 세포의 약 0.03% 미만이 상기 여과 장치에 의해 용해되는 것을 특징으로 하는 입자의 여과방법.
- 제26항에 있어서, 상기 세포의 약 0.03% 미만이 상기 여과 장치에 트랩핑되는 것을 특징으로 하는 입자의 여과방법.
- 제26항에 있어서, 상기 공급물을 상기 여과 장치로 통과시키는 단계가 상기 여과 장치로 초당 105개 초과의 세포를 통과시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자의 여과방법.
- 제30항에 있어서, 상기 공급물을 상기 여과 장치로 통과시키는 단계가 상기 여과 장치로 초당 106개 초과의 세포를 통과시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자의 여과방법.
- 제31항에 있어서, 상기 공급물을 상기 여과 장치로 통과시키는 단계가 상기 여과 장치로 초당 107개 초과의 세포를 통과시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자의 여과방법.
- 제24항에 있어서, 상기 여과 장치를 제공하는 단계가 0.8 마이크로미터 보다 작은 정지 부피(hold up volume)를 갖는 하나 이상의 여과 유닛을 포함하는 여과 장치를 제공하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자의 여과방법.
- 제24항에 있어서, 상기 여과 장치를 제공하는 단계가 풋프린트 구역(footprint area) 및 실질적으로 일정한 챔버 깊이를 갖는 여과 장치를 제공하는 것을 포함하며, 상기 공급물을 상기 여과 장치로 통과시키는 단계가 입방 밀리미터당 초당 10,000개 초과의 세포의, 초당 여과 장치로 통과하는 세포의 갯수를 실질적으로 일정한 챔버 깊이 및 풋프린트 구역의 곱으로 나눈 것으로서 정의된 정규화된 가공 속도에서 상기 여과 장치로 세포를 통과시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자의 여과방법.
- 제24항에 있어서, 상기 여과 장치를 제공하는 단계가 특징적인 챔버 깊이, 풋프린트 구역, 및 여과 장치에 포함된 여과 모듈의 갯수를 특징적인 챔버 깊이 및 풋프린트 구역의 곱으로 나눈 것으로서 정의된 여과 유닛 밀도를 갖는 여과 장치를 제공하는 것을 포함하며, 상기 여과 유닛 밀도가 입방 센티미터 당 400개 초과의 여과 유닛인 것을 특징으로 하는 입자의 여과방법.
- 제24항에 있어서, 상기 공급물을 상기 장치에 도입하는 단계가 골수를 포함하는 공급물 액체를 상기 제1 유동 챔버에 도입하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자의 여과방법.
- 제24항에 있어서, 상기 공급물을 상기 장치에 도입하는 단계가 혈액을 포함하는 공급물 액체를 상기 제1 유동 챔버에 도입하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자의 여과방법.
- 제24항에 있어서, 상기 공급물을 상기 장치에 도입하는 단계가 제대혈을 포함하는 공급물 액체를 상기 제1 유동 챔버에 도입하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자의 여과방법.
- 제24항에 있어서, 상기 공급물을 상기 장치에 도입하는 단계가 줄기 세포를 포함하는 공급물 액체를 상기 제1 유동 챔버에 도입하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자의 여과방법.
- 제24항에 있어서, 상기 공급물을 상기 장치에 도입하는 단계가 양수를 상기 제1 유동 챔버에 도입하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자의 여과방법.
- 제24항에 있어서, 상기 공급물을 상기 장치에 도입하는 단계가 소화된 지방 조직을 상기 제1 유동 챔버에 도입하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자의 여과방법.
- 제24항에 있어서, 상기 공급물을 상기 장치에 도입하는 단계가 세포, 혈액 세포, 제대혈 세포, 골수 세포, 적혈구, 백혈구, 림프구, 상피 세포, 줄기 세포, 암 세포, 종양 세포, 순환 종양 세포, 간세포, 세포 전구체, 제대혈 줄기 세포, 조혈 줄기 세포, 간엽 줄기 세포, 지방 줄기 세포, 다분화능 줄기 세포, 유도된 다분화능 줄기 세포, 배아 줄기 세포, 탯줄로부터 유래된 세포, 지방 조직으로부터 유래된 세포, 지방줄기세포 분획(SVF)에서의 세포, 양수 중의 세포, 월경혈 중의 세포, 뇌척수액 중의 세포, 소변 중의 세포, 골수 줄기 세포, 말초 혈액 줄기 세포, CD34+ 세포, 콜로니 형성 세포, T 세포, B 세포, 신경 세포, 면역 세포, 수지상 세포, 거핵세포, 고정화된 골수 세포, 혈소판, 정자, 난자, 난모 세포, 세균, 미생물, 박테리아, 균류, 효모, 원생동물, 바이러스, 세포 기관, 핵, 핵산, 미토콘드리아, 마이셀, 지질, 단백질, 단백질 복합물, 세포 파편, 기생충, 지방 소적, 다세포 유기체, 포자, 조류, 클러스터, 상술된 것들의 응집물, 산업 분말, 폴리머, 분말, 에멀젼, 소적, 더스트, 미소구체, 입자, 및 콜로이드 중 하나를 상기 제1 유동 챔버에 도입하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자의 여과방법.
- 제24항에 있어서, 세포, CD34+ 세포, 지방줄기세포 분획, 줄기 세포, 간세포, 콜로니 형성 세포, 조혈 줄기 세포, 지방 줄기 세포, 간엽 줄기 세포, 양막 줄기 세포, 유핵 세포, 백혈구, 림프구, 암 세포, 종양 세포, 수지상 세포, 죽은 세포, 살아있는 세포, 분할 세포, 망상 적혈구, 적혈구, 지방 세포, 및 지방 소적 중 하나를 포함하는 잔존물을 수집하는 것을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 입자의 여과방법.
- 제43항에 있어서, 잔존물을 수집하는 단계가 세포를 수집하는 것을 포함하며, 상기 잔존물 중에서 세포의 약 95% 초과의 세포가 살아 있는 것을 특징으로 하는 입자의 여과방법.
- 제24항에 있어서, 세포, CD34+ 세포, 지방줄기세포 분획, 줄기 세포, 간세포, 콜로니 형성 세포, 조혈 줄기 세포, 지방 줄기 세포, 간엽 줄기 세포, 양막 줄기 세포, 혈장, 혈소판, 적혈구, 유핵 세포, 백혈구, 림프구, 암 세포, 종양 세포, 수지상 세포, 죽은 세포, 살아있는 세포, 분할 세포, 망상 적혈구, 적혈구, 지방 세포, 및 지방 소적 중 하나를 포함하는 여과물을 수집하는 것을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 입자의 여과방법.
- 제45항에 있어서, 상기 여과물을 수집하는 단계는 세포를 수집함을 포함하며, 상기 여과물 중에서 세포의 약 95% 초과가 살아 있는 것을 특징으로 하는 입자의 여과방법.
- 제24항에 있어서, 상기 여과 장치를 제공하는 단계는 물리적 기공 크기보다 상당히 작은 보유 크기를 갖는 여과 장치를 제공하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자의 여과방법.
- 제대혈 부피를 감소시키는 방법으로서,
유핵 세포의 하나 이상의 집단을 갖는 제대혈을 포함하는, 샘플 부피를 갖는 샘플을 입수하는 단계;
제1 수집 용기, 제2 수집 용기, 공급물 도달 수단, 및 세 개 이상의 여과 유닛을 포함하는 여과 장치를 제공하는 단계로서, 각 여과 유닛이 공급물 유입구, 잔존물 유출구 및 여과물 유출구를 포함하는 마이크로유체 유동 챔버를 가지며, 각 마이크로유체 유동 챔버가 약 1 밀리미터 보다 작은 이의 길이에 대해 수직인 하나 이상의 치수를 포함하며, 공급물 유입구가 공급물 도달 수단과 유체 소통하며, 잔존물 유출구가 제1 수집 용기와 유체 연결되며, 여과물 유출구가 제2 수집 용기와 유체 연결되게 하도록 하는 단계;
상기 샘플을 상기 공급물 도달 수단을 이용하여 상기 여과 유닛의 공급물 유입구에 도입하는 단계;
구동력을 상기 샘플에 적용하는 단계;
상기 샘플을 상기 여과 장치의 마이크로유체 유동 챔버로 통과시키는 단계;
상기 샘플 부피의 실질적인 분획을 상기 여과물 유출구로 유도하고 유핵 세포의 하나 이상의 집단의 실질적인 분획을 상기 잔존물 유출구로 유도하는 층류 조건을 생성시키는 단계;
상기 잔존물 유출구로부터의 유체 유출물을 상기 제1 수집 용기에서 수집하는 단계; 및
상기 여과물 유출구로부터의 유체 유출물을 제2 수집 용기에서 수집하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제대혈 부피의 감소방법. - 제48항에 있어서, 잔존물 유출구로부터의 유체 유출물을 수집하는 단계가 제1 수집 용기에서 샘플 부피의 25% 미만의 부피 중에 샘플로부터의 유핵 세포의 70% 초과를 수집하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 제대혈 부피의 감소방법.
- 제48항에 있어서, 상기 유핵 세포의 하나 이상의 집단이 CD34+ 세포를 포함하며, 잔존물 유출구로부터 유체 유출물을 수집하는 단계가 샘플로부터의 CD34+ 세포의 75% 초과를 제1 수집 용기에 수집하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 제대혈 부피의 감소방법.
- 제48항에 있어서, 상기 방법이 샘플로부터 살아있는 세포를 분리함을 추가로 포함하며, 살아있는 세포의 약 95% 이상이 분리 후 살아있는 상태로 존재하는 것을 특징으로 하는 제대혈 부피의 감소방법.
- 제48항에 있어서, 샘플을 입수하는 단계가 약 95% 초과의 생존력의 제대혈 유핵 세포를 포함하는 샘플을 입수하는 것을 포함하며, 잔존물 유출구로부터 유체 유출물을 수집하는 단계가 약 95% 초과의 생존력의 유핵 세포를 수집하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 제대혈 부피의 감소방법.
- 제48항에 있어서, 샘플을 마이크로유체 유동 챔버로 통과시키는 단계가 여과 장치로 초당 10,000,000개 초과의 혈액 세포를 통과시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 제대혈 부피의 감소방법.
- 공통의 공급물 유입구,
공통의 여과물 유출구,
공통의 잔존물 유출구,
공급물 유체에 공급물 입자를 포함하는 공급물을 수용하도록 구성된 하나 이상의 유입구 및 하나 이상의 잔존물 유출구를 포함하는 제1 유동 챔버, 근위 단부와 하나 이상의 여과물 유출구를 갖는 원위 단부를 포함하는 제2 유동 챔버, 및 제1 열의 기둥 및 상기 열의 기둥의 인접한 기둥들 사이의 간격에 의해 한정된 복수의 기공을 포함하는, 상기 제1 유동 챔버와 상기 제2 유동 챔버 사이에 위치된 제1 필터로서, 복수의 기공의 각 기공이 상기 기공을 한정하는 인접한 기둥들 사이의 거리에 의해 규정된 물리적 기공 크기를 포함하는 제1 필터를 포함하는 하나 이상의 고밀도 모듈 장치, 및
상기 복수의 여과 유닛을 통해 공급물을 이동시키기 위한 수단을 포함하되;
상기 제1 유동 챔버, 상기 제2 유동 챔버, 필터 및 복수의 여과 유닛을 통해 공급물을 이동시키기 위한 수단이 기공의 유효 기공 크기보다 작은 보유 크기를 가지고 제1 유동 챔버에서 잔존물로서 상기 보유 크기보다 큰 크기를 갖는 공급물 입자의 실질적인 분획을 보유하고 제2 유동 챔버에서 여과물로서 공급물 유체의 실질적인 분획을 통과시키며,
상기 복수의 여과 유닛의 하나 이상의 유입구 각각이 상기 공통의 공급물 유입구와 유체 소통하고,
상기 복수의 여과 유닛의 하나 이상의 여과물 유출구 각각이 공통의 여과물 유출구와 유체 소통하며,
상기 복수의 여과 유닛의 하나 이상의 잔존물 유출구 각각이 공통의 여과물 유출구와 유체 소통하는 것을 특징으로 하는 입자 여과 기구. - 제54항에 있어서,
튜브,
튜브 캡, 및
튜브 삽입체를 추가로 포함하되;
고밀도 모듈 장치가 튜브 삽입체 내에 탑재되도록 구성되고,
튜브가 튜브 삽입체를 수용하도록 구성되며,
튜브 삽입체가 공통의 공급물 유입구와 유체 연결되게 공급물 저장소를 포함하고,
튜브 캡이 튜브 및 튜브 삽입체를 커버하도록 구성된 것을 특징으로 하는 입자 여과 기구. - 제55항에 있어서, 상기 튜브가 상기 고밀도 모듈 장치로부터 잔존물을 수용하도록 구성되며, 상기 튜브 삽입체가 상기 고밀도 모듈 장치로부터 여과물을 수용하도록 구성된 여과물 저장소를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 여과 기구.
- 제55항에 있어서, 상기 튜브가 상기 고밀도 모듈 장치로부터 여과물을 수용하도록 구성되며, 상기 튜브 삽입체가 상기 고밀도 모듈 장치로부터 잔존물을 수용하도록 구성된 잔존물 저장소를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 여과 기구.
- 제55항에 있어서, 상기 튜브 삽입체가 상기 담체 유체를 하나 이상의 제1 유동 챔버의 유입구에 공급하도록 구성된 담체 유체 저장소를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 여과 기구.
- 제54항에 있어서,
상기 공통의 잔존물 유출구와 유체 연결된 잔존물 수집 백; 및
상기 공통의 여과물 유출구와 유체 연결된 여과물 수집 백을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 여과 기구. - 제59항에 있어서, 하나 이상의 제1 유동 챔버의 유입구와 유체 연결된 공통의 담체 유체 유입구를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 여과 기구.
- 제60항에 있어서, 담체 유체를 상기 담체 유체 공통 유입구에 공급하도록 구성된 담체 유체 용기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 여과 기구.
- 제59항에 있어서, 공급물 수집 백과 공통의 상기 공급물 유입구 사이에 유체 연결을 수립하도록 구성된 어댑터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 여과 기구.
- 제59항에 있어서, 상기 공통의 공급물 유입구와 유체 소통하는 공급물 수집 백을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 여과 기구.
- 제63항에 있어서, 상기 공급물 수집 백이 공급물을 상기 공급물 수집 백으로 뽑아내도록 구성된 하나 이상의 니들을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 여과 기구.
- 제63항에 있어서, 상기 공급물 수집 백이 항혈액응고제를 함유하는 것을 특징으로 하는 입자 여과 기구.
- 제63항에 있어서, 상기 공급물 수집 백이 유체를 함유하는 것을 특징으로 하는 입자 여과 기구.
- 제54항에 있어서,
상기 공통의 공급물 유입구와 유체 소통되고 유체 저장소로서 구성된 제1 웰;
상기 공통의 잔존물 유출구와 유체 소통되고 유체 저장소로서 구성된 제2 웰; 및
상기 공통의 여과물 유출구와 유체 소통되고 유체 저장소로서 구성된 제3 웰을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 여과 기구. - 제67항에 있어서, 제1 웰, 제2 웰 및 제3 웰이 다중-웰 플레이트 포맷으로 구성된 것을 특징으로 하는 입자 여과 기구.
- 제67항에 있어서, 하나 이상의 제1 유동 챔버의 유입구와 유체 소통되고 담체 유체를 하나 이상의 제1 유동 챔버에 공급하도록 구성된 제4 웰을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 여과 기구.
- 제67항에 있어서, 제1 웰, 제2 웰 및 제3 웰 중 하나 이상을 둘러싸도록 구성된 캡을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 여과 기구.
- 제70항에 있어서, 상기 캡이 공기 및 증기에 대해 실질적으로 불투과성인 호일을 포함하고 상기 제1 웰, 제2 웰 및 제3 웰 중 하나 이상을 시일링하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 입자 여과 기구.
- 제70항에 있어서, 상기 제1 웰, 제2 웰 및 제3 웰 중 하나 이상이 유체를 함유하는 것을 특징으로 하는 입자 여과 기구.
- 제54항에 있어서, 상기 복수의 여과 유닛의 각 여과 유닛이 1 마이크로리터 보다 작은 정지 부피를 갖는 것을 특징으로 하는 입자 여과 기구.
- 제54항에 있어서, 상기 고밀도 모듈 장치가 입방 센티미터 당 500개 초과의 여과 유닛의 여과 유닛 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 입자 여과 기구.
- 제54항에 있어서, 상기 고밀도 모듈 장치가 30개 초과의 여과 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 여과 기구.
- 제54항에 있어서, 상기 고밀도 모듈 장치가 약 0.5 ㎜-2 초과의 디자인 효율 지수를 갖는 것을 특징으로 하는 입자 여과 기구.
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