(57)【要約】      （修正有）【課題】血液から物質を単離するために複数のグラフェン主体のフィルタを使用するためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】物質は、血液の成分の有効径によって定められる範囲内の有効径を有する粒子を含んでいる。装置は、第１の複数の開口を備えるグラフェンの第１のシート１０２を備える。第１の複数の開口は、物質の粒子の有効径以下の有効径を有する物体を通過させるように構成される。装置は、第２の複数の開口を備えるグラフェンの第２のシート１０４を備える。第２の複数の開口は、物質の粒子の有効径よりも小さい有効径を有する物体を通過させるように構成される。装置を、導管系１０６を備えるように構成することができる。装置を、可逆な機械的サイクルに従って動作するように構成することができる。【選択図】図２
2019080956.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
血液からグルコースを単離するための装置であって、複数の開口を備えるグラフェンシートを備える装置であり、
前記複数の開口は、（ｉ）前記グラフェンシートを通る前記グルコースの通過を許し、かつ、（ｉｉ）前記グラフェンシートを通るいくつかの血液の成分の通過を防ぐ、有効径を有する開口を備え、
前記複数の開口は、少なくとも０．７４ナノメートルの公称径を有する開口を備え、
前記装置は、前記グラフェンシートを通って血液を循環させるように構成されている、
装置。
【請求項２】
前記複数の開口は、中心間の公称の間隔が２ナノメートルの開口を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記装置は、血流中の前記グルコースの量を低下させるための手段を更に備える、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記装置は、複数のグラフェンシートを備え、各グラフェンシートは、複数の開口を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
糖尿病の治療のための埋め込み式の医療装置であって、前記埋め込み式の医療装置は、
少なくとも一層のグラフェンと、
前記少なくとも一層のグラフェンに穿孔された複数の開口と、を備え、前記開口は、糖尿病を治療するために前記少なくとも一層のグラフェンを通る特定の血液の成分の通過を防ぎながら他の特定の血液の成分の前記通過を許すのに十分な有効径を有し、前記開口は、前記少なくとも一層のグラフェンの破れを回避するために必要とされる強度のレベルを維持しながら十分な流量を提供するように間隔を有する、埋め込み式の医療装置。
【請求項６】
前記少なくとも一層のグラフェンは、血液および血液の成分の存在下に配置されている、請求項５に記載の埋め込み式の医療装置。
【請求項７】
前記複数の開口は、少なくとも０．７４ナノメートルの公称径を有する開口を備える、請求項５に記載の埋め込み式の医療装置。
【請求項８】
前記複数の開口は、中心間の公称の間隔が２ナノメートルの開口を備える、請求項５に記載の埋め込み式の医療装置。
【請求項９】
前記医療装置は、複数のグラフェンシートを備え、各グラフェンシートは、複数の開口を備える、請求項５に記載の埋め込み式の医療装置。
【請求項１０】
グルコースが前記少なくとも一層のグラフェンを通過することが可能である、請求項５に記載の埋め込み式の医療装置。
【請求項１１】
血液から、粒子が血液の成分の有効径によって定められる範囲内の有効径を有する物質を単離するための装置であって、前記装置は、グラフェンの第１のシートと、グラフェンの第２のシートとを備え、
前記装置は、
第１の複数の開口を備えており、該第１の複数の開口は、前記物質の粒子の有効径以下の有効径を有する物体を通過させるように構成されている前記グラフェンの第１のシートを通る血液の流れを許し、
第２の複数の開口を備えており、該第２の複数の開口は、前記物質の粒子の有効径よりも小さい有効径を有する分子を通過させるように構成されている前記グラフェンの第２のシートを通る血液の流れを許す、ように動作する、装置。
【請求項１２】
前記物質は、グルコースであり、前記第１の複数の開口は、少なくとも０．７４ナノメートルの公称径を有し、前記第２の複数の開口は、０．７０ナノメートル未満の公称径を有する、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１の複数の開口は、２ナノメートルの公称間隔を有する、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記第２の複数の開口は、２ナノメートルの公称間隔を有する、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記グラフェンの第１のシートおよび前記グラフェンの第２のシートを通る血液の流れを許すことは、供給源から導管系を通って血液を循環させることを備える、請求項１２に記載の装置。
【請求項１６】
前記グラフェンの第１のシートおよび前記グラフェンの第２のシートを通る血液の流れを許すことは、シリンダ内に配置されたピストンを用いることを含み、前記ピストンは、供給源から前記シリンダを通って血液を循環させるように構成されている、請求項１２に記載の装置。
【請求項１７】
血液から、粒子が血液の成分の有効径によって定められる範囲内の有効径を有する物質を単離するための装置であって、前記装置は、グラフェンの第１のシートと、グラフェンの第２のシートとを備え、
前記装置は、
第１の複数の開口を備えており、該第１の複数の開口は、前記物質の粒子の有効径以下の有効径を有する物体を通過させるように構成されている前記グラフェンの第１のシートを通る血液の流れを許し、
第２の複数の開口を備えており、該第２の複数の開口は、前記物質の粒子の有効径よりも小さい有効径を有する分子を通過させるように構成されている前記グラフェンの第２のシートを通る血液の流れを許す、ように動作し、前記装置は、患者の身体に埋め込まれる、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶液から物質を単離するためのシステムおよび方法に関する。とくには、本発明は、血液から物質を単離するために複数のグラフェン主体のフィルタを使用するためのシステムおよび方法を説明する。
【背景技術】
【０００２】
血液は、様々なサイズのいくつかの成分を含んでいる。例えば、ヘモグロビンは、３．２５ナノメートル（ｎｍ）という有効分子半径を有し、ナトリウムは、０．１０ｎｍという有効分子半径を有する。血液の成分の範囲内のサイズを持つ粒子を有する物質は、血液中に溶解し、あるいは懸濁した場合に、有害となる可能性がある。例えば、特定のウイルスおよび毒素は、血液の成分の範囲内のサイズを有する。さらに、一部の個人は、普通に生じる成分の量の増加につながる状態を有する可能性がある。普通に生じる血液の成分の量の増加は、個人にとって不健康である可能性がある。例えば、糖尿病は、グルコースのレベルの上昇につながりうる代謝性疾患である。グルコースのレベルの上昇は、臓器不全などの重篤な合併症につながりかねない。
【０００３】
血糖値を制御するために、糖尿病患者は、厳格な食事療法に従うことができ、あるいはインスリンを注射することができる。しかしながら、インスリンの注射は、血液から糖を文字通り取り除くわけではない。インスリンは、グルコースの進入を可能にするように細胞壁を開き、グルコースがグリコーゲンおよび脂肪へと変換される。したがって、インスリンの注射は、糖尿病を悪化させ、心臓病、大腸がん、および高血圧などの他の疾患の恐れを増大させる可能性がある肥満につながりかねない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
広くには、本発明は、溶液から物質を単離するためのシステムおよび方法に関する。とくには、本発明は、血流から血液の成分の範囲内のサイズの粒子を有する物質を単離するために複数のグラフェン主体のフィルタを使用するためのシステムおよび方法を説明する。物質は、高いレベルで生じる血液の成分または異物であってよい。本発明の技術を、例えば糖尿病などの疾患の治療に使用することができる。一例においては、本発明の技術を、血液からの余分なグルコースの除去に適用することができる。本発明の技術は、ホルモンによらないグルコースの抑制を可能にすることで、余分なグルコースがグリコーゲンおよび脂肪へと変換されることを防止することができる。本発明の技術が、血液および例示の物質に関して説明されるが、本発明の技術は、或る種類の粒子または分子の、より大きい粒子または分子ならびにより小さい粒子または分子の両方を含んでいる溶液または懸濁液からの単離に広く適用可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一例によれば、血液から、粒子が血液の成分の有効径によって定められる範囲内の有効径を有する物質を単離するための装置が、第１の複数の開口を備えており、該第１の複数の開口は、前記物質の粒子の有効径以下の有効径を有する物体を通過させるように構成されているグラフェンの第１のシートと、第２の複数の開口を備えており、該第２の複数の開口は、前記物質の粒子の有効径よりも小さい有効径を有する物体を通過させるように構成されているグラフェンの第２のシートと、前記グラフェンの第１のシートおよび前記グラフェンの第２のシートに動作可能に接続された導管系であって、血液が該導管系を通って流れるときに前記物質の粒子を単離するように構成された導管系と、を備える。
【０００６】
本発明の一例によれば、血液から、粒子が血液の成分の有効径によって定められる範囲内の有効径を有する物質を単離するための装置が、第１の複数の開口を備えており、該第１の複数の開口は、前記物質の粒子の有効径以下の有効径を有する物体を通過させるように構成されているグラフェンの第１のシートと、第２の複数の開口を備えており、該第２の複数の開口は、前記物質の粒子の有効径よりも小さい有効径を有する物体を通過させるように構成されているグラフェンの第２のシートと、前記グラフェンの第１のシートおよび前記グラフェンの第２のシートに接続された機械的システムであって、可逆のサイクルを使用して前記物質の粒子を単離するように構成された機械的システムと、を備える。
【０００７】
本発明の一例によれば、血液から、粒子が血液の成分の有効径によって定められる範囲内の有効径を有する物質を単離するための方法が、第１の複数の開口を備えており、該第１の複数の開口は、前記物質の粒子の有効径以下の有効径を有する物体を通過させるように構成されているグラフェンの第１のシートを通る血液の流れを調節するステップと、第２の複数の開口を備えており、該第２の複数の開口は、前記物質の粒子の有効径よりも小さい有効径を有する分子を通過させるように構成されているグラフェンの第２のシートを通る血液の流れを調節するステップと、を含む。
【０００８】
本発明の別の例によれば、血液から、粒子が血液の成分の有効径によって定められる範囲内の有効径を有する物質を単離するための装置が、第１の複数の開口を備えており、該第１の複数の開口は、前記物質の粒子の有効径以下の有効径を有する物体を通過させるように構成されているグラフェンの第１のシートを通る血液の流れを調節するための手段と、第２の複数の開口を備えており、該第２の複数の開口は、前記物質の粒子の有効径よりも小さい有効径を有する分子を通過させるように構成されているグラフェンの第２のシートを通る血液の流れを調節するための手段と、を備える。
【０００９】
１つ以上の例の詳細が、添付の図面および以下の記述において説明される。他の特徴、目的、および利点が、説明および図面ならびに特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【００１０】
この書面による開示は、本発明を限定するものではなく、すべてを述べ尽くすものでもない例示の実施形態を説明する。図面に示された例示の実施形態が参照される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】血液の流れに溶解または懸濁した物質を説明する概念図である。
【図２】本明細書に記載の技術による２段バイパスフィルタ処理の例を説明する概念図である。
【図３】本明細書の技術によるフィルタの断面図を示す概念図である。
【図４】本明細書の技術によるフィルタの断面図を示す概念図である。
【図５】本明細書の技術に従って溶液から物質を単離するための典型的な装置を示す概念図である。
【図６】本明細書の技術に従って溶液から物質を単離するための典型的な装置を示す概念図である。
【図７】患者へと固定された、血液から物質を単離するための典型的な装置を示す概念図である。
【図８】患者へと固定された、血液から物質を単離するための典型的な装置を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
分子ろ過技術が、ナノテクノロジの発展ゆえに出現しつつある。本出願と譲受人が同一であり、その全体が本明細書に援用される米国特許第８，３６１，３２１号明細書（以下では、「Ｓｔｅｔｓｏｎ」という）が、ナノサイズの穿孔を有するグラフェンシートを使用することによって水から望ましくないイオンを取り除くことを記載している。ナノサイズの穿孔を有する単一のグラフェンシートを、より大型の分子をより小型の分子から分離するために使用することができる一方で、１つの穿孔サイズを有する単一の分子膜を使用するろ過技術は、或るサイズの幅の範囲内の物体から特定のサイズの物体を選択的に単離することが不可能かもしれない。血液は、様々なサイズのいくつかの普通に生じる成分を有しているため、単一のグラフェンシートを使用するろ過技術は、普通に生じる成分も取り除くことなく物質を取り除くことが不可能であるかもしれない。米国においては、５８０万の人々または人口の８．３％が、糖尿病を抱えている。糖尿病を、余分なグルコースを血流から取り除くことによって治療することができる。グルコースは、血液の他の成分の間のサイズを有するため、単一のフィルタを使用して血液からグルコースを取り除くことは、フィルタが他の「健康な」血液成分も取り除いてしまう可能性があるため、有効な治療とはならないかもしれない。本明細書に記載のシステムおよび技術は、例えばグルコースなどの血液の成分のサイズの範囲内のサイズの物質の粒子を血液から単離するための技術を提供する。本明細書に記載のシステムおよび技術は、例えば糖尿病などの疾病に対する有効な非ホルモン治療を提供することができる。
【００１３】
本発明の技術が、以下の例においては血液およびグルコースに関して説明されるが、本発明の技術は、或る種類の粒子または分子の、より大型およびより小型の両方の粒子および／または分子を含む溶液または懸濁液からの単離に、広く適用可能である。本発明の実施形態を、図面を参照することによって最もよく理解することができ、図面において、類似の部分は全体を通して類似の数字によって指し示されている。本明細書で図面に広く記載および図示されるとおりの本発明の構成要素を、幅広く様々な異なる構成にて配置および設計できることを容易に理解できるであろう。したがって、装置の実施形態の以下のさらに詳細な説明は、本発明の技術的範囲を限定しようとするものではなく、あくまでも本発明について考えられる実施形態の代表にすぎない。加えて、方法の各工程は、とくに指定されない限り、必ずしも何らかの特定の順序で実行される必要はなく、連続して実行される必要すらなく、１回だけの実行である必要もない。いくつかの場合、周知の構造、材料、または操作について、詳しい図示または説明は省略される。
【００１４】
人間の血液は、典型的には、５５％の血漿を含む。血漿は、９０％の水と、溶解物質（例えば、ナトリウム、塩素、カリウム、マンガン、およびカルシウムイオン）とで構成されている。血漿の残りの１０％は、血漿たんぱく質（例えば、アルブミン、グロブリン、およびフィブリノゲン）およびホルモンで構成されている。血漿で構成されていない人間の血液の４５％は、典型的には、９９％の赤血球（すなわち、赤色細胞）と、１％未満の白血球（すなわち、白色細胞）と、１％未満の血小板（すなわち、プレートレット）とで構成されている。表１が、血液の成分のお互いに対する相対サイズを示している。表１は、腎糸球体（ｇｌｏｍｅｒｕｌｕｓ）における血液成分の選択透過性を示している。表１における成分の実際のサイズが、いくつかの因子（例えば、温度）にもとづいて変化する可能性があり、いくつかの異なるやり方で表現されうることに、注意すべきである。したがって、表１は、本発明を限定するものではない。
【表１】
2019080956.tif 000003
【００１５】
この開示は、グルコースが血液から単離される例を説明する。表１に示されるとおり、グルコースは、物理的に溶存たんぱく質よりも小さいが、血漿の主要な成分である無機イオンよりも大きい。その全体が本明細書に援用されるＲｉｂｅｉｒｏらの「Ｂｉｎａｒｙ
Ｍｕｔｕａｌ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ  ｏｆ  Ａｑｕｅｏｕｓ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｓｕｃｒｏｓｅ，  Ｌａｃｔｏｓｅ，  Ｇｌｕｃｏｓｅ，  ａｎｄ  Ｆｒｕｃｔｏｓｅ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｒａｎｇｅ  ｆｒｏｍ  （２９８．１５〜３２８．１５）Ｋ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｄａｔａ、Ｖｏｌ．５１、Ｎｏ．５、２００６年が、種々の温度における水溶液中のグルコースの有効流体力学半径の値を提示している。Ｒｉｂｅｉｒｏに提示の値にもとづき、後述の例は、体温において血液中に溶解したグルコースの粒子の有効径が、約０．７２ｎｍであると仮定する。本明細書に記載のシステムおよび技術が、物質の仮定による粒子サイズにもとづいて限定されることがないことに、注意すべきである。後述の例は、測定または予測される粒子サイズにもとづいて容易に変更することが可能である。さらに、用語「有効径」は、本明細書において、物体のサイズをその物体を包むと考えられる球の直径にもとづいて表現するために使用される。多くの場合、物体は、実際には球形を有さないかもしれず、有効径は、通常は物体の長さに相当しうる。
【００１６】
図１は、血流に溶解または懸濁した物質を説明する概念図である。図１に示した例においては、血液が静脈Ｖを通って流れている。図１において、Ｍ２は、血流から単離されるべき物質の粒子を表し、Ｍ１およびＭ３は、血液のより大きい成分およびより小さい成分をそれぞれ表している。例えば、上述のように、Ｍ２は、０．７２ｎｍの有効径を有する溶存グルコース分子を表すことができ、Ｍ１は、３．７５ｎｍの有効径を有するミオグロビンを表すことができ、Ｍ３は、０．３２ｎｍの有効径を有する尿素を表すことができる。他の例では、Ｍ２が、生物病原体（ウイルスまたはバクテリア）あるいは毒素であってよい。毒素として、例えば重金属（例えば、鉛）またはアルコールを挙げることができる。上述のように、従来からの技術を使用してＭ２血液をＭ１およびＭ３も除去することなく除去することは、困難でありうる。いくつかの場合には、患者の血流からのＭ１またはＭ３の除去が、単にＭ２を血流中に残すよりも、患者により健康な結果をもたらす可能性がある。
【００１７】
図２が、本明細書に記載の技術による２段バイパスフィルタ処理の例を説明する概念図である。図２に示した概念図は、２段のフィルタ１００が血液から物質を単離するように構成された例を示している。図１と同様に、単離されるべき物質の粒子がＭ２として示され、Ｍ２よりも大きい粒子がＭ１として示され、Ｍ２よりも小さい粒子がＭ３として示されている。図２に示されるとおり、２段のフィルタ１００が、静脈Ｖへと動作可能に接続されている。２段のフィルタ１００が、図２においては静脈Ｖに直接接続されるものとして示されているが、２段のフィルタ１００を、１つ以上の介在の導管の組を使用して静脈Ｖへと接続してもよいことに注意すべきである。さらに、図２における例は、２段のフィルタ１００を静脈に動作可能に接続されるものとして示しているが、２段のフィルタ１００を、循環系の任意の部分（例えば、動脈）に動作可能に接続できることに、注意すべきである。
【００１８】
２段のフィルタ１００は、第１のフィルタ１０２、第２のフィルタ１０４、および導管１０６を備えている。２段のフィルタ１００は、独立型の装置として体の外に位置することができ、あるいは患者に埋め込まれる埋め込み式の医療装置の一部であってよい。図２に示されるとおり、血液が静脈Ｖを通って流れるとき、圧力勾配によって血液が導管１０６へと流入し、Ｖを通る通常の経路をバイパスする。いくつかの場合、圧力勾配を、小さなポンプまたは電磁界を使用して生成し、血液を導管１０６へと引き込むことができる。他の場合には、静脈Ｖを通過する血液の自然の流れおよび／または重力が、血液を導管１０６へと流入させるために充分であるかもしれない。第１のフィルタ１０２は、導管１０６の近位端に配置される。第１のフィルタ１０２を、血流から単離されるべき物質の粒子以下のサイズを有する粒子だけを通すように構成することができる。したがって、図２に示されるとおり、Ｍ２よりも大きい粒子、すなわちＭ３は、導管１０６に進入することがない。例えば、Ｍ２がグルコース粒子を表し、Ｍ３がミオグロビン粒子を表す場合、グルコース粒子およびより小さい粒子が、導管１０６に進入し、ミオグロビン粒子は、除去されることなく静脈Ｖを通って流れ続ける。第２のフィルタ１０４は、導管１０６の遠位端に配置される。第２のフィルタ１０４を、粒子Ｍ２よりも小さいサイズの粒子、すなわちＭ１の通過だけを許すように構成することができる。したがって、導管１０６に進入したＭ２よりも小さい粒子が、静脈Ｖへと戻る一方で、Ｍ２粒子は、導管１０６内に残る。このやり方で、Ｍ２粒子が、血流から効果的に単離される。
【００１９】
血液が静脈Ｖを通って流れ続けるとき、Ｍ２粒子は、導管１０６へと進入し続けることができ、蓄積されると考えられる。２段のフィルタ１００を、Ｍ２粒子を導管１０６から取り出すことができるように構成することができる。いくつかの例では、導管１０６を、２段のフィルタ１００から切り離されるように構成することができる。他の例では、導管１０６を、Ｍ２粒子を導管１０６から取り出すために開くことができる１つ以上の弁（図２には示されていない）へと接続することができる。いくつかの場合、導管１０６をＭ２粒子で飽和させることができ、Ｍ２粒子を、飽和が達成されたときに吸い出すことができる。導管１０６においてＭ２粒子を単離し、Ｍ２粒子を導管１０６から取り出すプロセスを、所望のとおりに繰り返すことができる。
【００２０】
いくつかの場合に、圧力勾配および血液の流れの速度にもとづき、一部のＭ２およびＭ３粒子が、導管１０６に進入せず、除去されることなく静脈Ｖを通って流れ続けてよいことに、注意すべきである。しかしながら、圧力勾配を、Ｍ２およびＭ３粒子の所望の割合が第１のフィルタ１０２を通って導管１０６へと流れるように設定することができる。典型的には、５リットルの血液を有する健康な７５ｋｇの成人の血流には、わずか５グラムのグルコースしか存在しない。したがって、Ｍ２がグルコースである場合、圧力勾配および２段のフィルタ１００を、血流中に健康なグルコースレベルを維持するための既知のろ過率を生み出すように構成することができる。
【００２１】
上述のように、第１のフィルタ１０２を、血流から単離されるべき物質の粒子以下のサイズを有する粒子だけを通過させるように構成することができ、第２のフィルタ１０４を、単離されるべき物質の粒子よりも小さいサイズの粒子の通過だけを許すように構成することができる。一例において、第１のフィルタ１０２および／または第２のフィルタ１０４は、例えば穿孔されたグラフェンシートなど、複数の開口を備えるグラフェンのシートであってよい。グラフェンは、シートを形成することができる炭素原子の単原子層の厚さ（ｓｉｎｇｌｅ−ａｔｏｍｉｃ−ｌａｙｅｒ−ｔｈｉｃｋ）の層である。グラフェンシートの炭素原子は、炭素原子からなるハニカム格子を形成する６つの炭素原子で構成される六角形のリング構造（ベンゼン環）の反復パターンを定める。格子間型の開口が、シートにおいて６つの炭素原子からなる各々のリング構造によって形成され、この格子間型の開口は、差し渡しで１ナノメートルよりもはるかに小さく、水または他の血液成分の通過を許すにははるかに小さい。刊行物、すなわちＬｉｕ，Ｌｉらの「Ｇｒａｐｈｅｎｅ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ：Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ−Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  Ｅｔｃｈｉｎｇ  ａｎｄ  Ｓｔｒｏｎｇ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｄｏｐｉｎｇ」、Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ２００８；ｖｏｌ．８、Ｎｏ．７、２００８年６月９日、ｐｇ１９６５〜１９７０、およびＫｉｍらの「Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｌａｒｇｅ  Ａｒｅａ，  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｎａｎｏｐｅｒｆｏｒａｔｅｄ  Ｇｒａｐｈｅｎｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」、Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ２０１０；ｖｏｌ．１０、Ｎｏ．４、２０１０年３月１日、ｐｐ１１２５〜１１３１（どちらも、その全体が本明細書に援用される）に記載されているように、穿孔をグラフェンのシート上に形成することができる。Ｐｅｒｆｏｒｅｎｅ（商標）が、穿孔済みのグラフェンシートの典型的な商品名である。本発明の技術は、グラフェンに穿孔を形成するために特定の技術に限定されず、レーザ穿孔などの任意の技術を、本明細書に記載の技術に従ってグラフェンシートに穿孔を導入するために使用することができる。
【００２２】
図３が、本明細書の技術によるフィルタの断面図を示す概念図である。フィルタ１０２が、溶液中の物質の粒子を、溶液中のより大きな粒子を通過させることなく通過させるように構成された典型的なフィルタである。一例において、フィルタ１０２は、２ｎｍの厚さを有するグラフェンの単一のシートであってよい。他の例において、フィルタ１０２は、所望の厚さを達成するためにグラフェンの複数のシートを含むことができる。他の例において、フィルタ１０２は、１つ以上の超ナノ結晶ダイアモンド（Ｕｌｔｒａ  Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｄｉａｍｏｎｄ）膜を含むことができる。フィルタ１０２の開口が、おおむね円形を有するものとして示されているが、開口の実際の形状が、フィルタ１０２の製造に使用される方法にもとづいて左右されることに、注意すべきである。例えば、フィルタ１０２がグラフェンシートである場合、開口の縁を、部分的に、六角形の炭素リング構造によって定めることができる。
【００２３】
図３に示した例において、フィルタ１０２は、グルコースの粒子の有効径以下の有効径を有する物体を通過させるように構成される。上述のように、体温において血液中に溶解したグルコースの粒子は、約０．７２ｎｍの有効径を有すると想定される。したがって、グルコースの粒子の有効径以下の有効径を有する物体を通過させるために、フィルタ１０２は、０．７２ｎｍよりもわずかに大きい直径を有する複数の開口を備える。図３に示した例では、フィルタ１０２の開口の直径が、公称で０．７４ｎｍである。すなわち、フィルタ１０２の開口の直径は、グルコースの有効径よりも約２〜３％大きい。フィルタ１０２の開口の直径を、グルコース分子をより効率的に通過させるためにさらに大きくしてもよいことに、注意すべきである。例えば、フィルタ１０２の開口の直径は、単離されるべき物質の有効径の粒子よりも２％〜２５％大きい範囲内にあってよい。
【００２４】
さらに、フィルタ１０２の開口の直径を、単離されるべき物質の粒子がフィルタ１０２を通過し、溶液の既知のより大きいサイズの粒子はフィルタ１０２を通過しないように大きくしてもよいことに、注意すべきである。上記の表１を参照すると、グルコースよりも大きい次の血液の成分は、０．８８ｎｍの有効径を有すると想定できるサッカロースである。したがって、グルコースを血液から単離すべき例では、フィルタ１０２の開口のサイズを、サッカロースがフィルタ１０２を通過することがないように０．８８ｎｍよりもわずかに小さくなるまで大きくすることができる。
【００２５】
図３に示した例では、フィルタ１０２の開口が、２ｎｍという公称の間隔を有する。原理的に、流量は、開口の密度に比例する。開口の密度が高くなる（すなわち、公称の間隔が小さくなる）につれて、フィルタ１０２の開口を通過する流れが増加するが、所与の圧力における流れに悪影響を及ぼしうる「乱流（ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ）」にもなりかねない。さらに、開口の密度が高くなるにつれて、フィルタ１０２の強度が、とくにはフィルタ１０２が単一のグラフェンシートである場合に、低くなる可能性がある。強度の低下は、一部の状況において、フィルタ１０２の破れを引き起こす可能性がある。流れおよび強度の考慮事項にもとづき、開口間の２ｎｍの中心間間隔が、フィルタ１０２がグラフェンのシートである場合にほぼ最適になると考えられる。しかしながら、フィルタ１０２の開口の間の公称の間隔は、フィルタ１０２の所望の流量および強度特性にもとづいて、容易に増減させることができる。
【００２６】
図４が、本発明の技術によるフィルタの断面図を示す概念図である。フィルタ１０４は、上述のフィルタ１０２と同様の構成であってよく、説明を簡潔にするために、フィルタ１０４の構造の詳細については、ここでは説明せず、フィルタ１０２の説明が参照される。図４に示した例において、フィルタ１０４は、グルコースの粒子の有効径よりも小さい有効径を有する物体を通過させるように構成され、すなわちグルコース粒子を阻止しつつ、より小さい粒子の通過を許すように構成される。上述のように、体温において血液中に溶解したグルコースの粒子は、約０．７２ｎｍの有効径を有すると想定される。したがって、グルコースの粒子の有効径よりも小さい有効径を有する物体を通過させるために、フィルタ１０４は、０．７２ｎｍよりもわずかに小さい直径を有する複数の開口を備える。図３に示した例では、フィルタ１０４の開口の直径が、公称で０．７０ｎｍである。すなわち、フィルタ１０４の開口の直径は、グルコースの有効径よりも約２〜３％小さい。
【００２７】
フィルタ１０４の開口の直径を、さらに小さくしてもよいことに、注意すべきである。例えば、フィルタ１０４の開口の直径は、単離されるべき物質の有効径の粒子よりも２％〜２５％小さい範囲内にあってよい。フィルタ１０４の開口の直径を、単離されるべき物質の粒子がフィルタ１０４を通過せず、溶液の既知のより小さい粒子がフィルタ１０４を通過するように小さくしてもよい。開口の直径を小さくするいくつかの事例においては、フィルタ１０４の強度を高めることができる。図４に示されるとおり、フィルタ１０４の開口は、２ｎｍという公称の間隔を有する。フィルタ１０２に関して上述したように、開口の間隔を、所望の流量および必要とされる強度のレベルにもとづいて決定することができる。図４の開口の間隔を、同様の特性にもとづいて決定することができる。さらに、フィルタ１０４の開口の直径を、同様の特性にもとづいて決定することができる。
【００２８】
図５は、本発明の技術に従って溶液から物質を単離するための典型的な装置を示す概念図である。図５に示されるとおり、装置５００は、供給源５０２と、ポンプ５０４と、チャンバ５０６と、圧力弁５０８と、圧力弁５１０と、圧力弁５１２と、リザーバ５１４とを備えている。さらに、チャンバ５０６は、第１の部分５０６ａと、第１のフィルタ１０２と、第２の部分５０６ｂと、第２のフィルタ１０４と、第３の部分５０６ｃとを備えている。装置５００の構成要素を、図５に示されるとおりに動作可能に結合させることができる。
【００２９】
一例においては、構成要素が、各部分の流体の体積にもとづく過度でない膨張に適応するように構成された可撓管を使用して接続される。例えば、管を、ゴムまたはプラスチックなどの既知の可撓な材料を使用して構成することができる。供給源５０２は、単離されるべき物質を含む溶液を収容する任意の容器であってよい。グルコースを血液から単離すべき例において、供給源５０２は、患者の循環系であってよく、あるいは患者から引き出された血液を収容する中間容器であってよい。ポンプ５０４は、供給源５０２に動作可能に組み合わせられ、供給源５０２からの溶液を、チャンバ５０６を通って再び供給源５０２へと循環させるように構成される。ポンプ５０４は、所望の流量に従って溶液を循環させるように構成された任意の種類の電気式、機械式、または電気機械式のポンプであってよい。溶液がチャンバ５０６を通過するとき、物質が、図２に関して上述した２段のフィルタ処理の全体的な原理に従って溶液から単離される。
【００３０】
図５に示されるとおり、チャンバ５０６の第１の部分５０６ａは、ポンプ５０４、第１のフィルタ１０２、および圧力弁５０８へと動作可能に接続され、圧力弁５０８が、供給源５０２へと動作可能に接続される。ポンプ５０４が、供給源５０２から部分５０６ａに流体を進入させる。第１のフィルタ１０２および圧力弁５０８が、溶液のどの部分（例えば、血液のどの成分）をチャンバ５０６の第２の部分５０６ｂへと流入させ、溶液のどの部分を供給源５０２へと戻すかを決定する。第１のフィルタ１０２は、上述の典型的な第１のフィルタのいずれかであってよい。グルコースを血液から単離すべき例では、第１のフィルタ１０２が、図３に示した例によるサイズおよび間隔の開口を備えるグラフェンのシートを備えることができる。圧力弁５０８は、一方向の圧力解放弁（圧力ダイオードとも称される）であってよい。圧力弁５０８を、部分５０６ａに制御されない圧力の高まりが存在しない一方で、溶液が所与の流量で供給源５０２から第１のフィルタ１０２を通って送られるような圧力設定を有するように構成することができる。さらに、圧力解放弁５０８の圧力解放設定を、フィルタ１０２を通過する溶液および循環して供給源５０２へと戻る溶液の所望の流量にもとづく定常状態の動作を達成するように設定することができる。グルコースが血液から単離される例においては、ポンプ５０４、第１のフィルタ１０２、および圧力解放弁５０８を、所望の流量に従って、グルコースのサイズ以下のサイズを有する物体が第２の部分５０６ｂに進入し、グルコースのサイズよりも大きいサイズを有する物体が供給源５０２へと循環して戻るように構成することができる。
【００３１】
第１のフィルタ１０２を通過することができる物体は、チャンバ５０６の第２の部分５０６ｂに進入する。図５に示されるとおり、第２の部分５０６ｂは、第２のフィルタ１０４および圧力解放弁５１０に動作可能に接続される。第２のフィルタ１０４は、上述の典型的な第２のフィルタのいずれかであってよい。グルコースを血液から単離すべき例では、第２のフィルタ１０４が、図４に示した例によるサイズおよび間隔の開口を備えるグラフェンのシートを備えることができる。この例では、グルコース分子よりも小さいサイズを有する物体が、部分５０６ｃに進入し、次いで供給源５０２へと戻ることができる。リザーバ５１４が、例えばグルコース分子など、フィルタ１０４を通過しない物体を受け入れるように構成される。
【００３２】
したがって、溶液がチャンバ５０６を通って循環するにつれて、単離されるべき物質がリザーバ５１４に蓄積される。圧力弁５１０および５１２を、部分５０６ｂおよび５０６ｃに制御されない圧力の高まりが存在しない一方で、溶液が部分５０６ｂから第２のフィルタ１０４を通って送られるように構成することができる。さらに、圧力解放弁５１０および５１２を、所望のろ過速度にもとづく定常状態の動作を達成するように構成することができる。リザーバ５１４内の物質の量を、溶液について単離された物質の量を割り出すために測定することができる。このやり方で、装置５００は、溶液から、粒子が溶液の有効径によって定められる範囲内の有効径を有している物質を単離するように構成された装置の例を代表する。
【００３３】
いくつかの例では、装置５００を、外部医療装置の一部として実現することができ、あるいは埋め込み式の医療の一部として実現することができる。図７が、患者へと固定された、血液から物質を単離するための典型的な装置を示す概念図である。図７に示される例において、装置５００は、患者Ｐへと動作可能に接続された外部医療装置である。このやり方で、装置５００は、血液から、粒子が血液の成分の有効径によって定められる範囲内の有効径を有している物質を単離するように構成された装置の例である。
【００３４】
図６は、本発明の技術に従って溶液から物質を単離するための例示的な装置を示す概念図である。装置６００を、供給源から溶液を引き出して、単離された物質を含まない溶液を供給源へと返すように構成することができる。供給源は、単離されるべき物質を含む溶液を収容する任意の容器であってよい。グルコースを血液から単離すべき例において、供給源は、患者の循環系であってよく、あるいは患者から引き出された血液を収容する中間容器であってよい。装置６００は、可逆な機械的サイクルに従って動作するように構成される。
【００３５】
図６に示されるとおり、装置６００は、第１のフィルタ１０２、第２のフィルタ１０４、シリンダ６０２、ピストン６０４、モータ６０６、弁６０８、弁６１０、弁６１２、およびリザーバ５１０を備える。第１のフィルタ１０２は、上述の典型的な第１のフィルタのいずれかであってよい。グルコースを血液から単離すべき例では、第１のフィルタ１０２が、図３に示した例によるサイズおよび間隔の開口を備えるグラフェンのシートを備えることができる。第２のフィルタ１０４は、上述の典型的な第２のフィルタのいずれかであってよい。グルコースを血液から単離すべき例では、第２のフィルタ１０４が、図４に示した例によるサイズおよび間隔の開口を備えるグラフェンのシートを備えることができる。図６に示されるように、装置の構成要素を動作可能に接続することができる。一例においては、シリンダ６０２および構成要素を動作可能に接続する部分を、剛直な材料で構成することができる。
【００３６】
図６に示されるように、ピストン６０４は、シリンダ６０２内に配置され、モータ６０６へと動作可能に接続される。モータ６０６は、ピストン６０４のヘッドをシリンダ６０２の位置Ａとシリンダ６０２の位置Ｃとの間で往復移動させるように構成される。モータ６０６は、ピストン６０４を位置Ａから位置Ｃへと可逆なやり方で移動させる任意の種類の平行移動モータであってよい。弁６０８、弁６１０、および弁６１２は、開閉可能な制御式の弁である。弁６０８、弁６１０、および弁６１２を、電気信号を使用して開閉できるように構成することができる。一例においては、電気信号を、本明細書に記載の技術に従って動作するように構成された汎用のコンピュータを使用して生成することができる。詳しくは後述されるように、装置６００は、弁６０８、弁６１０、および弁６１２が、物質を溶液から単離できるようにピストン６０４が可逆なやり方でシリンダ６０２を通って移動を完了させるときに開閉されるように構成される。
【００３７】
装置６００を、初期の動作状態において、弁６０８が開かれ、弁６１０および６１２が閉じられた状態で、ピストン６０４のヘッドが位置Ａに位置するように構成される。モータ６０６が、ピストン６０４のヘッドを位置Ａから位置Ｃへと移動させることができる（１）。これにより、溶液が、供給源から第１のフィルタ１０２を通ってシリンダ６０２へと引き込まれる。グルコースが血液から単離されるべき物質である例においては、第１のフィルタ１０２を、グルコースのサイズ以下のサイズを有する物体がシリンダ６０２に進入し、グルコースのサイズよりも大きいサイズを有する物体が第１のフィルタ１０２のシリンダ６０２とは反対の側にとどまるように構成することができる。シリンダ６０２が満たされた後（すなわち、ピストン６０２のヘッドが位置Ｃに達した後）で、弁６０８を閉じることができ、弁６１２を閉じたままにしつつ、弁６１０を開くことができる。次いで、モータ６０６が、ピストン６０４のヘッドを位置Ｃから位置Ｂへと移動させる（２）。これにより、シリンダ６０２の内容物が第２のフィルタ１０４を通って供給源へと流れる。グルコースが血液から単離されるべき物質である例では、第２のフィルタ１０４を、グルコースのサイズよりも小さいサイズを有する物体が供給源へと戻り、グルコースがフィルタ１０４の反対側と位置Ｂとの間にとどまるように構成することができる。
【００３８】
ピストン６０４のヘッドが位置Ｂに達するとき、弁６１０を閉じることができ、弁６１２を開くことができ、モータ６０６が、ピストン６０４のヘッドを位置Ｂから位置Ａへと移動させることができる。これにより、第１のフィルタ１０２を通過することができたが、第２のフィルタ１０４を通過することはできなかった粒子が、リザーバ５１４に単離される。図５に関して上述したように、リザーバ５１４内の物質の量を、溶液について単離された物質の量を割り出すために測定することができる。ピストン６０４のヘッドが位置Ａへと戻るとき、弁６１２を閉じることができ、弁６０８を開くことができる。これにより、装置６００が上述の初期の動作状態へと戻る。
【００３９】
ピストン６０４が位置ＡからＣ、Ｂ、およびＡへと移動するときに弁６０８、弁６１０、および弁６１２をそれぞれ開閉するプロセスを、物質をリザーバへと連続的に単離するために必要に応じて繰り返すことができる。流体が供給源から弁６０８を通って進入し、弁６１０を通って供給源へと戻るときに、供給源を、継続的に補充および混合しなければならない。弁６１０が閉じられ、弁６１２が開かれ、ピストン６０４のヘッドが位置Ｂから位置Ａへと動かされる前に、シリンダ６０２が小さな物体（例えば、単離されるべき物質よりも小さい）をほとんどまたは全く含まないように、位置Ｂを、装置６００の初期の較正時に調節できることに、注意すべきである。このやり方で、装置６００は、粒子が溶液の有効径によって定められる範囲内の有効径を有している物質を溶液から単離するように構成されたシステムの例を代表する。
【００４０】
いくつかの例では装置６００を、外部医療装置の一部として実現することができ、あるいは埋め込み式の医療の一部として実現することができる。図８が、患者へと固定された、血液から物質を単離するための例示的な装置を示す概念図である。図８に示される例において、装置６００は、患者Ｐへと動作可能に接続された外部医療装置である。このやり方で、装置６００は、粒子が血液の成分の有効径によって定められる範囲内の有効径を有している物質を血液から単離するように構成された装置の例である。
【００４１】
或る範囲の値が提示される場合、その範囲の上限値および下限値の間の中間値であって、とくにそのようでないことが文脈から明らかでない限りは下限値の単位の１０分の１までの各々の中間値、ならびにその記載の範囲内のあらゆる他の記載の値または中間値が、本発明に包含されると理解される。これらのより狭い範囲の上限値および下限値（それぞれにより狭い範囲に含まれても、含まれなくてもよい）も、記載の範囲内の何らかの具体的に除外される限界値次第で、本発明に包含される。記載の範囲が一方または両方の限界値を含む場合、それらの含まれる限界値のいずれかまたは両方を除外する範囲も、本発明に含まれる。
【００４２】
とくに定義されない限り、本明細書において使用されるすべての技術および科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者が普通に理解する意味と同じ意味を有する。本明細書に記載の方法および材料に類似するあらゆる方法および材料、あるいは本明細書に記載の方法および材料と同等であるあらゆる方法および材料も、本発明の実施または試験に使用することが可能であるが、今回は好ましい方法および材料が説明されている。出願の背景において言及された特許および刊行物を含む本明細書において言及されたすべての特許および刊行物は、それらの刊行物の引用に係る方法および／または材料を開示および説明するものとして、ここでの言及によって本明細書に援用される。
【００４３】
本明細書において論じられる刊行物は、あくまでも本出願の出願日よりも前の当該刊行物の開示に関して提示されているにすぎない。本明細書における何ものも、本発明に先行の発明のせいでそのような刊行物よりも前の日付が与えられない旨の自認として解釈されるべきではない。さらに、提示される刊行物の日付は、実際の刊行日とは異なる可能性があり、それぞれの実際の刊行日の確認が必要であるかもしれない。
【００４４】
本発明について、他の実施形態も可能である。上述の説明は、かなりの明細を含んでいるが、それらは本発明の技術的範囲を限定するものとして解釈されてはならず、単に本発明の現時点における好ましい実施形態の一部の例示を提供しているものとして解釈されるべきである。また、実施形態の特定の特徴および態様の種々の組み合わせまたは部分的組み合わせが可能であり、依然として本発明の技術的範囲に包含されると考えられる。開示の実施形態の種々の特徴および態様を、互いに組み合わせ、あるいは互いに置き換えて、種々の実施形態を形成できることを、理解すべきである。したがって、本発明の少なくとも一部の技術的範囲は、上述の特定の開示された実施形態によって限定されてはならない。
【００４５】
したがって、本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲およびそれらの法律にもとづく均等物によって決定されなければならない。したがって、本発明の技術的範囲が、当業者にとって自明となりうる他の実施形態を充分に包含し、したがって本発明の技術的範囲が、添付の特許請求の範囲以外の何ものによっても限定されず、添付の特許請求において、単数形での構成要素への言及が、とくに明示されない限りは「１つであって、１つに限られる」を意味するのではなく、むしろ「１つ以上」を意味することを、理解できるであろう。上述の好ましい実施形態の構成要素に対する当業者にとって既知のすべての構造的、化学的、および機能的な同等物は、ここでの言及によって本明細書に明示的に取り入れられ、現在の特許請求の範囲に包含される。さらに、装置または方法は、必ずしも本発明が解決しようとする課題の各々かつすべてに対処していなくても、現在の特許請求の範囲に包含される。さらに、本発明における構成要素、構成部品、または方法の各工程のいずれも、それら構成要素、構成部品、または方法の工程が特許請求の範囲に明示的に記載されているか否かにかかわらず、公衆に開放されるものではない。
【００４６】
本発明の種々の好ましい実施形態の以上の説明は、例示および説明の目的で提示されている。それらは、すべてを述べ尽くそうとするものでも、本発明を厳格にそれらの実施形態に限定しようとするものでもなく、当然ながら、多数の変更および変種が上述の教示に照らして可能である。上述のとおりの例示的な実施形態は、本発明の原理およびその実際の応用を最も上手く説明することで、本発明を種々の実施形態にて、想定される個々の用途に適した種々の変更を伴って、最も上手く利用することを当業者にとって可能にするために選択および説明されている。本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められる。
【００４７】
種々の例を説明した。これらの例および他の例が、以下の特許請求の範囲の技術的範囲に包含される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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