(57)【要約】様々な構成で使用される様々な材料からなるマイクロ粒子及びナノ粒子が開示されている。そのような粒子はまた、システム又はホスト解剖学的構造の分離、隔離、分化、改変又は濾過に使用されるペイロードとして、様々なタイプの材料を含むことができる。 マイクロ粒子とナノ粒子は、様々なプロセスで音響定在波又は音響進行波と組み合わせて利用される。
2021509084.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の位置で一次流体中の粒子を濃縮するための方法であって、
前記粒子及び前記一次流体を含む流体混合物が流れる音響チャンバと前記音響チャンバ内に音響波を発生させるために駆動可能な圧電材料を含む超音波トランスデューサとを備える音響泳動デバイスに、前記流体混合物を流すことと、
前記超音波トランスデューサを駆動して前記音響波を発生させることと、を含み、
前記音響波は、前記第１の位置で前記粒子を濃縮する、方法。
【請求項２】
請求項１の方法において、
前記音響波は、複数次元音響定在波、平面音響定在波、複数次元音響定在波と平面音響定在波との組み合わせ、又は、音響進行波である、方法。
【請求項３】
請求項１の方法において、
前記粒子はペイロードを含む、方法。
【請求項４】
請求項３の方法において、
前記ペイロードは、ウイルス、核酸、サイトカイン、医薬分子、液体、気体、又は、それらの混合物である、方法。
【請求項５】
請求項３の方法において、
前記第１の位置にある前記粒子から前記ペイロードを放出させることを更に含む、方法。
【請求項６】
請求項１の方法において、
前記粒子は、中実状、細胞状、中空状、又は、発泡体である、方法。
【請求項７】
請求項１の方法において、
前記粒子は、高分子材料、アイオノマー、セラミック及びガラスの１又は２以上で作製されている、方法。
【請求項８】
請求項７の方法において、
前記１又は２以上の高分子材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ジビニルベンゼン、ポリメチルメタクリレート、多糖類、ポリ乳酸（ＰＬＡ）及びポリ（乳酸−コ−グリコール酸）（ＰＬＧＡ）からなる群から選択される、方法。
【請求項９】
請求項１の方法において、
前記粒子は、高分子材料の複数の層から形成されている、方法。
【請求項１０】
請求項１の方法において、
前記粒子は、中空であり、ガラスで作られ、前記ガラスの外面をコーティングするアブレーションポリマーを有する、方法。
【請求項１１】
請求項１０の方法において、
前記アブレーションポリマーは、抗原、抗体、又は、タンパク質で機能化された多糖類である、方法。
【請求項１２】
請求項１の方法において、
前記粒子は、液体コアと、前記液体コアをカプセル化する脂質シェルとを有する、方法。
【請求項１３】
請求項１２の方法において、
前記液体コアの液体はパーフルオロカーボンを含む、方法。
【請求項１４】
請求項１３の方法において、
前記パーフルオロカーボンは、パーフルオロペンタン、パーフルオロヘキサン、パーフルオロオクタン、臭化パーフルオロオクチル、パーフルオロジクロロオクタン、又は、パーフルオロデカリンである、方法。
【請求項１５】
請求項１２の方法において、
前記脂質シェルは、ジパルミトイルホスファチジルコリン（ＤＰＰＣ）、１，２−パルミトイルホスファチジン酸（ＤＰＰＡ）、脂質−ポリエチレングリコール結合体、又は、脂質とアルブミンとの複合体から形成されている、方法。
【請求項１６】
請求項１２の方法において、
前記脂質シェルは、ストレプトアビジン、ビオチン、アビジン又は抗体で機能化されている、方法。
【請求項１７】
液体コアと、前記液体コアをカプセル化する脂質シェルと、を含む粒子。
【請求項１８】
請求項１７の粒子において、
前記液体コアの液体はパーフルオロカーボンを有する、粒子。
【請求項１９】
請求項１８の粒子において、
前記パーフルオロカーボンは、パーフルオロペンタン、パーフルオロヘキサン、パーフルオロオクタン、臭化パーフルオロオクチル、パーフルオロジクロロオクタン、又は、パーフルオロデカリンである、粒子。
【請求項２０】
請求項１７の粒子において、
前記脂質シェルは、ジパルミトイルホスファチジルコリン（ＤＰＰＣ）、１，２−パルミトイルホスファチジン酸（ＤＰＰＡ）、脂質−ポリエチレングリコール結合体、又は、脂質とアルブミンとの複合体から形成されている、粒子。
【請求項２１】
請求項１７の粒子において、
前記脂質シェルは、ストレプトアビジン、ビオチン、アビジン又は抗体で機能化されている、粒子。
【請求項２２】
流体からターゲット粒子を分離する方法であって、
流体中の機能化粒子をチャンバ内に受け取ることと、
ターゲット粒子を前記チャンバ内に受け取ることと、
前記ターゲット粒子が前記機能化粒子と結合できるようにすることと、
前記チャンバ内に音響波を印加して、前記音響波によって捕集又はブロックされる前記機能化粒子に影響を与えることと、を含む方法。
【請求項２３】
請求項２２の方法において、
前記機能化粒子は、パーフルオロペンタン、パーフルオロヘキサン、パーフルオロオクタン、臭化パーフルオロオクチル、パーフルオロジクロロオクタン及びパーフルオロデカリンのうちの１又は２以上であるパーフルオロカーボンを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本開示は、進行波及び定在波を例として含む超音波で生成された音響波とともに使用されて、マイクロ粒子及びナノ粒子の捕捉、濃縮及び／又は目標位置への輸送を達成することができる、マイクロメートル又はナノメートルの範囲の粒子に関する。
【０００２】
音響泳動は、音響定在波等の音響を使用して物質を分離することである。音響定在波は、音響コントラスト因子としても知られ、音響によって影響され得る密度及び／又は圧縮率を含む粒子及び流体のパラメータに差がある場合に、流体内の粒子に力を及ぼすことができる。定在波の圧力プロファイルは、定在波の節（ｎｏｄｅ）で圧力振幅が極小になる領域と、定在波の腹（ａｎｔｉ−ｎｏｄｅ）で圧力振幅が極大になる領域とを含む。密度及び圧縮率に応じて、粒子を定在波の節又は腹で捕捉することができる。一般に、定在波の周波数が高いほど、捕捉できる粒子は小さくなる。
【０００３】
マイクロスケール、例えばマイクロメートルのオーダーの構造寸法においては、従来の音響泳動システムは、数メガヘルツの周波数で通常厚さ１ミリ未満である半波長又は４分の１波長の音響チャンバを使用する傾向があり、非常に低い流速（例えば、ｐＬ／ｍｉｎ）で動作する。このようなシステムは、非常に低いレイノルズ数、層流操作、及び最小限の流体動的最適化の恩恵を受けるため、スケーラブルではない。
【０００４】
マクロスケールにおいては、分離プロセスに平面音響定在波が使用されている。しかし、単一の平面波は、平面定在波をオフにするか又は除去することによって一次流体からの分離が達成されるように、粒子又は二次流体を捕捉する傾向がある。また、平面波は、平面波の発生に関わる流体へのエネルギー散逸と平面波エネルギーそれ自体のために、波が伝播する媒体を加熱する傾向がある。平面定在波の除去は、連続動作を妨げることがある。また、平面音響定在波を生成するために使用されるパワーの量は、エネルギーの浪費により一次流体を加熱させる傾向があり、処理される物質にとって不利な場合がある。
【発明の概要】
【０００５】
様々な実施形態において、音響定在波を用いてホスト流体又は一次流体内の粒子を所望の位置に移動させる方法が本書に開示されている。粒子は、音響泳動デバイス内に置かれ、超音波トランスデューサは、必要に応じて、粒子を濃縮、捕捉及び／又は移動するために使用される。粒子はまた、ホスト流体若しくは一次流体の中の他の粒子又は細胞と相互作用又は反応するために使用することができる。場合によっては、粒子の構造は、音響波に曝されることで変化する可能性がある。
【０００６】
様々な実施形態において本書に開示されているのは、第１の位置で一次流体内の粒子を濃縮するための方法であって、粒子と一次流体とを含む流体混合物を音響泳動デバイスに流すことを含む方法である。音響泳動デバイスは、流体混合物が流れる音響チャンバと、音響チャンバ内に音響波を生成するように駆動可能な圧電材料を含む超音波トランスデューサと、を備える。超音波トランスデューサは、音響波を生成するように駆動されることにより、定在波の節と腹に粒子を集中させ、腹に負のコントラスト因子の物質を、節に正のコントラスト因子の物質を蓄積する。
【０００７】
音響波は、複数次元音響定在波、平面音響定在波、複数次元音響定在波と平面音響定在波との組み合わせ、又は音響進行波のいずれであってもよい。
【０００８】
いくつかの実施形態では、粒子はペイロードを含む。ペイロードは、ウイルス、核酸、サイトカイン、医薬分子、液体、気体、又は、それらの混合物のいずれであってもよい。粒子を第１の位置に移動した後に、ペイロードは離脱することができる。
【０００９】
粒子は、マイクロ粒子又はナノ粒子であってもよい。粒子は、中実状のものであっても、細胞状のものであっても、中空状のものであっても、複数層状のものであっても、発泡体状のものであってもよい。
【００１０】
粒子は、高分子材料、アイオノマー、セラミック及びガラスの１又は２以上で作製することができる。高分子材料の例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ジビニルベンゼン、ポリメチルメタクリレート、多糖類、ポリ乳酸（ＰＬＡ）及びポリ（乳酸−コ−グリコール酸）（ＰＬＧＡ）が挙げられる。
【００１１】
また、粒子は、アガロース及びポリヒアルロン酸から作製されてもよい。これらの粒子は、生体内で溶解するため、患者に悪影響を及ぼすことはない。
【００１２】
粒子は、高分子材料の複数層から形成されてもよい。いくつかの実施形態では、粒子は、中空であってもよく、ガラスで作られてもよく、及び／又は、ガラスの外面をコーティングするアブレーションポリマーを有してもよい。アブレーションポリマーは、抗原、抗体又はタンパク質で機能化された多糖類であってもよい。
【００１３】
他の実施形態では、粒子は、液体コアと、液体コアをカプセル化する脂質シェルとを有する。液体コア内の液体は、パーフルオロカーボンを含んでいてもよい。パーフルオロカーボンは、パーフルオロペンタン、パーフルオロヘキサン、パーフルオロオクタン、臭化パーフルオロオクチル、パーフルオロジクロロオクタン又はパーフルオロデカリンであってもよい。
【００１４】
脂質シェルは、ジパルミトイルホスファチジルコリン（ＤＰＰＣ）、１，２−パルミトイルホスファチジン酸（ＤＰＰＡ）、脂質−ポリエチレングリコール結合体、又は、脂質とアルブミンとの複合体から形成することができる。脂質シェルは、ストレプトアビジン、ビオチン、アビジン又は抗体で機能化することができる。
【００１５】
また、本書に開示されるのは、液体コアと、液体コアをカプセル化する脂質シェルとを有する粒子である。
【００１６】
液体コア中の液体は、パーフルオロカーボンを含んでいてもよい。パーフルオロカーボンは、パーフルオロペンタン、パーフルオロヘキサン、パーフルオロオクタン、臭化パーフルオロオクチル、パーフルオロジクロロオクタン、又は、パーフルオロデカリンであってもよい。脂質シェルは、ジパルミトイルホスファチジルコリン（ＤＰＰＣ）、１，２−パルミトイルホスファチジン酸（ＤＰＰＡ）、脂質−ポリエチレングリコール結合体、又は、脂質とアルブミンとの複合体から形成されるものでもよい。脂質シェルは、ストレプトアビジン、ビオチン、アビジン又は抗体で機能化することができる。
【００１７】
音響液滴蒸発（ＡＤＶ）として知られるプロセスは、音響波を使用して、粒子の液体コアにおける液体から気体への相転移を発生させることができる。液体の蒸気圧は、温度の関数であり、必ずしも液体化学に基づくものではない。体温付近又は体温未満で通常の沸点を持つ液体であれば、これらのプロセスに使用することができる。フルオロカーボンは、毒性が低く、高いコントラスト因子であるため、これらのプロセスで使用できる。
【００１８】
粒子と、抗原、抗体又はタンパク質との間には、スペーサーが配置されてもよい。スペーサーは、典型的には、物質が粒子の表面上の機能化分子に結合しているときに、粒子からのより少ない荷電干渉（ｃｈａｒｇｅｄ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）を可能にするポリエチレングリコール（ＰＥＧ）分子である。
【００１９】
これらの物質はまた、例えばソノポレーションによる細胞の形質導入（ｔｒａｎｓｄｕｃｔｉｏｎ）のために利用されてもよい。気泡は、細胞壁の近くで音響的にキャビテーションを起こし、細胞壁に通路を開けることに寄与する振動を発生させる。音響的に誘発されたキャビテーションを介して崩壊する気泡は、細胞壁を開けることに寄与する流体の噴流を発生させることができる。
【００２０】
別の構成では、これらの気泡は、治療剤を含むことができる。したがって、気泡が音響的な励起によって破壊されるとき、噴射する物質が治療剤として、このプロセス中に細胞内に入る。治療剤は、小さな分子、大きな分子又はターゲット細胞のＤＮＡの改変に利用される遺伝物質の１つであってもよい。
【００２１】
より一般的には、本書に記載される粒子は、粒子が音響波によって衝突されるときに第２の物質への変化を引き起こすための媒介物（ａｇｅｎｔ）として使用され得る。例えば、粒子は、音響泳動効率を増加させる要因である第２の物質のコントラスト因子を増加させるために使用されてもよい。別の例としては、ソノポレーションなどの操作において細胞バリアに変化を引き起こすために、粒子によって液体が送達されてもよい。
【００２２】
また、本書では、重力又は浮力による物質の分離及び収集の効率を改善するために使用することのできる物質クラスタを生成するための技術及びデバイスも説明される。また、改良された流体力学を使用する、改良された連続的な音響泳動デバイスについても、所望の性能を得るためのデバイスの制御と同様に説明される。物質は、例えば物質のコントラスト因子を含む音響波及び／又は物質の様々なパラメータ及び特性に応じて、音響波に優先的に捕捉されるか、又は、音響波から若しくは音響波を通じて離脱することができる。
【００２３】
これらの特徴及び他の非限定的な特徴については、以下で、より詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
以下、図面を簡単に説明するが、本書に開示される例示的な実施形態を図示する目的で示すものであって、これを限定することを目的とするものではない。
【００２５】
【図１】図１は、本開示による粒子の顕微鏡写真である。
【００２６】
【図２Ａ】図２Ａは、中実粒子の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の写真である。
【００２７】
【図２Ｂ】図２Ｂは、細胞粒子におけるＳＥＭ写真である。
【００２８】
【図２Ｃ】図２Ｃは、中空粒子における顕微鏡写真である。
【００２９】
【図２Ｄ】図２Ｄは、中実コアと外部層とを有する粒子の説明図である。
【００３０】
【図２Ｅ】図２Ｅは、コア内に物質を有するとともに、コア内の物質を離脱させるためにアブレーションすることのできる外部層を有する中空粒子の説明図である。
【００３１】
【図２Ｆ】図２Ｆは、ペイロードを有するとともに、ペイロードを取り囲むシェルを有する中空粒子の説明図である。
【００３２】
【図３】図３は、液体コアと脂質シェルとからなる粒子の概略図である。
【００３３】
【図４】図４は、互いに整列／グループ化されているいくつかの粒子を示す概略図である。
【００３４】
【図５Ａ】図５Ａは、初期の液滴及びＮｅｕｔｒＡｖｉｄｉｎ（登録商標）でインキュベートした後の液滴について、直径０．６ミクロンから１．２５ミクロンまでの粒子数対粒子径を示すグラフである。Ｙ軸は、線形であり、０から３．０×１０８まで、１．０×１０８の間隔で続いている。Ｘ軸は、ミクロン単位で０．６から１．２まで、０．２の間隔で続いている。
【００３５】
【図５Ｂ】図５Ｂは、初期の液滴及びＮｅｕｔｒＡｖｉｄｉｎ（登録商標）でインキュベートした後の液滴について、直径１．２５ミクロンから２．２５ミクロンまでの粒子数対粒子径を示すグラフである。Ｙ軸は、線形であり、０から８．０×１０６まで、２．０×１０６の間隔で続いている。Ｘ軸は、ミクロン単位で１．４から２．２まで、０．２の間隔で続いている。
【００３６】
図５Ｂは、本開示による液滴サイズの分布を示すグラフである。
【００３７】
【図６】図６は、本開示によるペイロードを含む粒子を調製するためのプロセス、及び、そのペイロードのその後の離脱を示す。
【００３８】
【図７】図７は、本開示による進行波を示す図である。
【００３９】
【図８】図８は、本開示による定在波を示す図である。
【００４０】
【図９】図９は、本開示の方法が使用され得る音響泳動デバイスの正面の断面図である。
【００４１】
【図１０】図１０は、図９の音響泳動デバイスの外観を示す斜視図である。
【００４２】
【図１１】図１１は、本開示の超音波トランスデューサの断面図である。このトランスデューサ内にはエアギャップが存在し、バッキング層又は保護板は存在しない。
【００４３】
【図１２】図１２は、本開示の使用に適した別の超音波トランスデューサの断面図である。このトランスデューサ内にはエアギャップが存在し、バッキング層及び保護板も存在する。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
本開示は、所望の実施形態及びそこに含まれる実施例についての後述する詳細な説明を参照することにより、より容易に理解され得る。以下の明細書及びそれに続く特許請求の範囲では、以下の意味を有するように定義されるいくつかの用語が参照される。
【００４５】
以下の説明において明確にするために特定の用語が使用されるが、これらの用語は、図面での例示のために選択された実施形態における特定の構造のみを指すものであり、本開示の範囲を定義したり限定したりするものではない。図面及び以下の説明において、同様の数値符号は、同様の機能の構成要素を指すものと理解されたい。
【００４６】
単数形の「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈からそうでないことが明確に示されない限り、複数形の対象を含む。
【００４７】
明細書及び特許請求の範囲で使用されるように、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」という用語は、「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ」及び「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ」の態様を例として含むことができる。本書で使用される「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（ｓ）」、「ｉｎｃｌｕｄｅ（ｓ）」、「ｈａｖｉｎｇ」、「ｈａｓ」、「ｃａｎ」、「ｃｏｎｔａｉｎ（ｓ）」及びそれらの変形は、名づけられた成分（ｉｎｇｒｅｄｉｅｎｔｓ）／構成要素（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）／ステップ（ｓｔｅｐｓ）の存在を必要とし、他の成分／構成要素／ステップの存在を許容する、オープンエンドの暫定的な語句、用語又は単語であることを意図している。しかしながら、そのような記述は、列挙された成分／構成要素／ステップの「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ」及び「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ」としての組成物、物品又はプロセスを記述しているものとしても解釈されるべきであり、これは、名づけられた成分／構成要素／ステップのみの存在を、それから生じる可能性のあるあらゆる不純物とともに許容し、他の成分／構成要素／ステップを除外するものである。
【００４８】
本願の明細書及び特許請求の範囲における数値は、同じ数の有効数字に換算したときに同じである数値、及び、数値を決定するために本願に記載されているタイプの従来の測定技術の実験誤差未満で記載されている数値と異なる数値を、例として含むと理解されるべきである。
【００４９】
本書に開示されるすべての範囲は、列挙される境界点（ｅｎｄｐｏｉｎｔ）を含み、独立して組み合わせることが可能である（例えば、「２グラムから１０グラムまで」の範囲は、境界点である２グラム及び１０グラムとすべての中間値とを含む。）。
【００５０】
「約（ａｂｏｕｔ）」という用語は、その値の基本的な役割を変更することなく変化することのできる任意の数値を含むために使用され得る。「約（ａｂｏｕｔ）」は、範囲と共に使用される場合、２つの境界点の絶対値によって定義される範囲も開示するものであり、例えば、「約２から約４まで」は「２から４まで」の範囲を開示する。「約」という用語は、示された数値のプラス又はマイナスの１０％を指し得る。
【００５１】
値が第１の閾値を超える（又は、上回る）という記述は、その値が第１の閾値よりもわずかに大きい第２の閾値を満たすか又は超えるという記述に相当し、例えば、第２の閾値が、関連するシステムの分解能において第１の閾値よりも１つ高い値であるという記述に相当する。値が第１の閾値を下回る（又は、第１の閾値内にある）という記述は、その値が第１の閾値よりもわずかに小さい第２の閾値以下であるという記述に相当し、例えば、関連するシステムの分解能において第２の閾値が第１の閾値よりも１つ低い値であるという記述に相当する。
【００５２】
本書で使用される用語の多くは相対的な用語であることに留意されたい。例えば、「上部（ｕｐｐｅｒ）」及び「下部（ｌｏｗｅｒ）」という用語は、位置において互いに相対的なものであり、例えば、上部の構成要素は所定の方向において下部の構成要素よりも高い高度に位置しているが、これらの用語はデバイスが反転されると変わる可能性がある。「入口」及び「出口」という用語は、所定の構造物に関してそれらを流れる流体に対して相対的なものであり、例えば、流体は、入口を通って構造物に流入し、出口を通って構造物から流出する。「上流」及び「下流」という用語は、流体が様々な構成要素を通って流れる方向に関して相対的なものであり、例えば、流体は、下流の構成要素を流れる前に上流の構成要素を通って流れる。ループするものにおいては、第１の構成要素が第２の構成要素の上流側と下流側の両方であると説明され得ることに留意されたい。
【００５３】
「水平」及び「垂直」という用語は、絶対的な基準、例えば地面のレベルに対する相対的な方向を示すために使用される。しかしながら、これらの用語は、構造物同士が絶対的に平行又は絶対的に垂直であることを要求するように解釈されるべきではない。例えば、第１の垂直構造物と第２の垂直構造物は、必ずしも互いに平行であるというわけではない。「上（ｔｏｐ）」及び「下（ｂｏｔｔｏｍ）」又は「底（ｂａｓｅ）」という用語は、絶対的な基準、例えば地球の表面に対して、上が下／底よりも常に高い位置にある面を指すために使用される。「上向き（ｕｐｗａｒｄｓ）」及び「下向き（ｄｏｗｎｗａｒｄｓ）」という用語もまた、絶対的な基準に対して相対的なものであり、上向きは常に地球の重力に逆らう。
【００５４】
本願では、「同じ桁（ｏｒｄｅｒ）の大きさ」について言及する。大きい方の数を小さい方の数で割った商が少なくとも１で、かつ１０よりも小さい値であれば、２つの数は同じ桁の大きさになる。
【００５５】
「ウイルス」という用語は、別の生きている細胞内でのみ複製することができる感染因子、若しくは、ＤＮＡ又はＲＮＡを取り囲んで収容するキャプシドから形成され、場合によってはキャプシドを取り囲む脂質エンベロープから形成されるビリオンの形態で存在する感染因子を示す。
【００５６】
「結晶」という用語は、圧電材料として使用される単結晶又は多結晶の材料を示す。
【００５７】
本開示は、「マイクロ粒子」について言及する。この用語は、１マイクロメートル（μｍ）から１００００μｍまでの平均粒子径を有する粒子を示す。
【００５８】
本開示は、「ナノ粒子」について言及する。この用語は、１ナノメートル（ｎｍ）から１０００ナノメートル未満の平均粒子径を有する粒子を示す。
【００５９】
本書で説明されるいくつかの物質は、平均粒子径を有するものとして記載されている。平均粒子径は、粒子の総数の５０％（体積比）の累積パーセンテージが得られる粒子径として定義される。すなわち、粒子の５０％が平均粒子径を超える粒子径を有し、粒子の５０％が平均粒子径を下回る粒子径を有する。粒子の粒度分布は、ガウス分布を例として含んでいてもよく、そのガウス分布は、上位及び下位の四分位数が、記載されている平均粒子径の２５％及び７５％であり、全ての粒子が、記載されている平均粒子径の１５０％未満である。他のタイプの分布が提供又は使用されてもよい。粒子が球形である必要はないことについては留意されたい。非球形粒子の場合の粒子径は、非球形粒子と同じ体積を有する球形粒子の直径である。
【００６０】
粒子は、「コア」及び「シェル」の構造を有するものとして本書に記載されることがある。そのような粒子において、コアは、液体又は気体からなり、シェルは、（コアに対して相対的に）より固い材料からなる１又は２以上の層からなる。シェル及びコアは、物質の相によって区別することができる。「粒子」という用語は、液体又は気体のような流体中に懸濁され得る任意のタイプの個々の構造物を指すことを意味し得るものであり、例えば、固体、液体又は気体、及び、それらの組み合わせなどの任意の相であってもよい。
【００６１】
「有機」及び「無機」の材料は、本書で言及される。本開示の目的のために、「有機」材料は、炭素原子（多くの場合、他の原子と一緒に）から構成され、「無機」材料は炭素原子を含まない。
【００６２】
本開示では、所定のプロセスステップのための温度について言及することがある。本開示において、温度は、通常、熱源（例えば、炉、オーブン）で設定される温度ではなく、参照される物質によって達成される温度を示す。「室温」という用語は、６８°Ｆ（２０℃）から７７°Ｆ（２５℃）までの範囲を指す。
【００６３】
本開示は、音響泳動デバイスと組み合わせて使用される粒子に関する。音響泳動デバイスは、様々な方法で使用できる音響波を発生させる。例えば、音響波は、粒子を所望の場所に移動させるため、又は、粒子の特定の特性を変化させるため、又は、粒子と他の粒子（例えば生物細胞）との反応を高めるために使用することができる。粒子は、必要に応じて、マイクロ粒子又はナノ粒子であってもよい。本書では、最初に粒子について説明し、次に音響泳動デバイス自体について説明する。音響泳動デバイスで粒子を使用して実行できる様々な方法と反応についても説明する。
【００６４】
〔粒子〕
【００６５】
上述したように、粒子はマイクロ粒子又はナノ粒子であるのが一般的である。粒子は、図１中の参照符号１００で示されているように、形状が球状であってもよい。ただし、その形状は変化し得るものである。例えば、粒子は、楕円形であってもよいし、長手方向の軸に沿って細長いものであってもよい。
【００６６】
粒子は、例えば、中実状のもの、細胞状のもの、中空状のもの、又は、発泡体状のものであってもよい。中実粒子は、空隙（ｖｏｉｄｓ）／空洞（ｃａｖｉｔｉｅｓ）を含まず、図２Ａには、中実粒子２００が図示されている。細胞状粒子は、その内部に空隙／空洞を含み、粒子の外部からそれらの空隙／空洞への通路を有するもの（連続気泡発泡体に類似）である。図２Ｂには、細胞状粒子２０４が、外部から見える空隙／空洞２０６とともに図示されている。中空粒子は、図２Ｃに図示されている。中空粒子２１０は、固体の外部表面部２１４の内部に１又は２以上の大きな空隙／空洞２１２を有する。発泡体は、複数の空隙／空洞を含み、各空隙は固体材料によって完全に囲まれている（独立気泡発泡体としても知られている。）。
【００６７】
特定の実施形態において、粒子は、無機材料、有機材料、又は、それらの組み合わせから作製され得る。そのような材料には、ポリマー、アイオノマー、セラミック、ガラス及び他の材料が例として含まれ得る。
【００６８】
本書で説明される粒子の製造に利用され得るポリマーには、ポリエチレン及びポリプロピレンなどのポリオレフィンが例として含まれる。ポリエチレンは、直鎖状低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン又は超高分子量ポリエチレンであってもよい。また、ポリエチレン又はポリプロピレンの材料は、過酸化物触媒、チーグラー・ナッタ触媒、メタロセン触媒などの触媒を用いて重合させてもよい。
【００６９】
粒子の製造に利用できる他のポリマーとしては、ポリスチレン、ジビニルベンゼン、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、アガロース及び寒天などの多糖類、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、及び、ポリ（乳酸−コ−グリコール酸）（ＰＬＧＡ）などが挙げられる。
【００７０】
これらのポリマーは、粒子のバルクを構成するために利用されてもよい。ポリマーはまた、複数の層から粒子（例えば複数層粒子）を作るために、様々な組み合わせで利用することができる。異なるポリマーを使用して、粒子に対して所望の効果を得ることができる。例えば、複数の異なる層から粒子を作製することは、所望の密度と所望の音響コントラスト因子の両方を得るために、又は、粒子に対して所望の挙動又は相互作用を得るために、使用することができる。
【００７１】
一例として、ポリスチレンビーズを水性懸濁液中で作製し、次いで凍結乾燥して発泡体粒子を得ることができる。凍結乾燥された発泡体粒子を水中に懸濁させると、その表面に小さな気泡が形成されることがあり、その結果、比較的強固なコアと発泡体粒子の表面の空洞に捕捉されたナノバブルとを有する発泡体粒子が得られる。
【００７２】
別の例として、ポリメチルメタクリレートのコアは、特定の薬物送達又は生物細胞との相互作用のための外表面を形成するＰＬＡポリマー又はＰＬＧＡポリマーで被覆されてもよい。得られた粒子は、中実粒子又は発泡体粒子（ポリメチルメタクリレートコアの構造に依存する）と見なすことが可能であり、複合粒子の密度及び複合粒子内の音の速度に応じて、負または正のコントラスト因子を有してもよい。この例は、図２Ｄに図示されている。粒子２２０は、ＰＬＡ又はＰＬＧＡコーティング２２４を備えたＰＭＭＡコア２２２を有する。
【００７３】
別の例として、粒子の外部層は、粒子の生物学的相互作用／反応を引き起こすのに有用であり得る。例えば、外部層は、親和性結合のために粒子が使用されるようにすることができる。別の例としては、粒子は、アブレーション材料（例えば、溶融又は溶解する物質）から作製される外部層を有する中空粒子であり得る。この構造は、中空粒子のコアに保持された物質が、ある一定期間の経過後、又は、十分な熱若しくは他のエネルギーに曝された後に離脱することを可能にし、粒子が所望のターゲット又は場所に移動することを可能にする。この例は、図２Ｅに図示されている。粒子２３０は、アブレーション材料からなる外部層２３４を備えたコア２３２を有する。材料２３６は、コア内に存在する。
【００７４】
いくつかの実施形態では、粒子の音響コントラスト因子を変更することができる。例えば、中空ガラス粒子は、抗原若しくは抗体又は他のタンパク質若しくは生物学的部位で機能化された多糖類などのアブレーションポリマーで被覆され得る。粒子は、第１の音響コントラスト因子でプロセスを開始し、その後、アブレーションポリマーを除去することによって第２の音響コントラスト因子に変更することができる。
【００７５】
【００７６】
いくつかの実施形態において、本開示の粒子は、正の音響コントラスト因子を有する。そのような粒子は、音響定在波の節に捕捉され得る。他の実施形態では、本開示の粒子は、負の音響コントラスト因子を有する。そのような粒子は、音響定在波の腹に捕捉される。処理システム内又は生体内で粒子が音響コントラスト因子を変化させる場合、粒子が正のコントラスト因子から負のコントラスト因子に変化するときは粒子が節から腹に移動し、粒子が負のコントラスト因子から正のコントラスト因子に変化するときはその逆となる。
【００７７】
いくつかの実施形態において、本開示の粒子はペイロードを含む。ペイロードは、粒子によって特定の領域又は細胞集団に送達される一次物質、二次物質、三次物質及び／又はそれ以上の物質を例として含み得る。ペイロードとして送達され得る物質の例としては、ウイルス、核酸、サイトカイン（インターロイキンなど）、医薬分子、液体、気体、又は、そのような物質の混合物が挙げられる。これらのペイロードは、所望のターゲット又は場所に送達され（音響的コロケーションによって）、その後、ペイロードを離脱させることができる。ペイロードは、所望の場所で、ターゲット物質の形態学的な変化、生化学的な変化、又は、他の属性の変化を引き起こすなど、ターゲットに影響を与える。この例は、図２Ｆに図示されている。粒子２４０は中空であり、ペイロード２４６を含むコア２４４を取り囲む固体のシェル２４２を有する。
【００７８】
さらに、本開示の粒子は、磁気、電磁気、誘電性（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）、超音波又は他の種類のエネルギーなどの外力によっても影響を受ける可能性がある。外部エネルギー源で粒子に影響を与えることにより、特定のプロセスステップ（例えば、親和性結合）又はホストの構造の特定部分（例えば、患者の体内に位置する腫瘍を破壊するために）に到達すると、粒子が活性化されることがある。
【００７９】
いくつかのさらなる実施形態では、粒子は、脂質シェルによってカプセル化された液体コアを有するコア−シェル構造のものである。より詳細な実施形態では、液体コアの液体は、パーフルオロカーボン（ＰＦＣ）である。本開示で使用される「パーフルオロカーボン」という用語は、水素原子のすべてがハロゲンで置換され、ハロゲン原子の大部分がフッ素原子である分子を指す。本開示の目的のための「ハロゲン」とは、フッ素、塩素、及び臭素を指す。ＰＦＣの具体例としては、パーフルオロペンタン（ＰＦＰ）、パーフルオロヘキサン（ＰＦＨ）、パーフルオロオクタン（ＰＦＯ）、臭化パーフルオロオクチル（ＰＦＯＢ、Ｃ８Ｆ１７Ｂｒ）、パーフルオロジクロロオクタン（ＰＦＤＣＯ、Ｃ８Ｆ１６Ｃｌ２）、又は、パーフルオロデカリン（ＰＦＤ、Ｃ１０Ｆ１８）が挙げられる。
【００８０】
これらのＰＦＣ液体は、独特の特性を有する。ＰＦＣ液体は水よりも密度が高く、低い表面張力を有し、低い粘度を有する。ＰＦＣ液体は、酸素及び窒素を吸収する能力も高い。パーフルオロカーボンの液体は音の速度が遅く、化学的に非常に不活性であり、生体適合性がある。下記の表１には、比較のために他のポリマーと共に、粒子に使用できる様々なＰＦＣ液体の様々な物理的特性及び音響的特性を示す。ＰＦＣ液体の圧縮率が生体細胞と比較して非常に高いことに留意されたい。
【表１】
2021509084.tif 000003
【００８１】
脂質シェルを形成するために使用することのできる脂質の具体例としては、ジパルミトイルホスファチジルコリン（ＤＰＰＣ）、１，２−パルミトイルホスファチジン酸（ＤＰＰＡ）、１，２−ジパルミトイル−ｓｎ−グリセロ−３−ホスホエタノールアミン（ＤＰＰＥ）、及び、１，２−ジステアロイル−ｓｎ−グリセロ−３−ホスホエタノールアミン（ＤＳＰＥ）などが挙げられる。これらの脂質は、脂質−ポリエチレングリコール結合体、又は、脂質とアルブミン（例えば、ウシ血清アルブミン又はヒト血清アルブミン）との複合体にも使用することができる。脂質シェルは、ストレプトアビジン、ビオチン、アビジン、抗体、又は、他の機能化された成分で機能化することができる。
【００８２】
この構造は、図３に図示されている。粒子３００は、この例ではパーフルオロヘキサンである液体コア３０４を取り囲む脂質シェル３０２からなる。シェルは、ＤＰＰＡ、ＤＰＰＣ、又は、ここではＤＳＰＥ−ＰＥＧ５０００−ＢＩＯＴＩＮとしてラベル付けされている機能化脂質−グリコール抱合体から作られ得る。また、脂質シェルのビオチンに結合するアビジン誘導体３０６も図示されている。
【００８３】
脂質シェルは、粒子を別の分子に付着させるために及び液体コアの保護のために、使用される。これらの脂質−ＰＦＣ粒子は、細胞の損傷を低減しながら、超音波誘導キャビテーション後の細胞膜の透過性に一時的な変化を生じさせることができると考えられている。それらは、試験管内及び生体内の両方で、遺伝物質の組織特異的又は部位特異的な細胞内送達を可能にし得る。それらは、非ウイルス性ベクターシステムとして使用するため、遺伝子送達の有効性を高めることに使用され得る。
【００８４】
一般的には、ＰＦＣ液体と脂質溶液とを組み合わせて、脂質シェルを有する液体コアを作成する。ＰＦＣ液体は、液滴を形成するために別の溶液中に分散される。液滴が凝集するのを防ぐために、溶液中に乳化剤を添加してもよい。いくつかの実施形態では、リン脂質が乳化剤／界面活性剤として使用される。ＰＦＣ液体は、用途に所望される液滴のサイズに応じて、異なる方法で分散される。ナノメートルサイズの小さな液滴を作製するためには、超音波攪拌を使用してもよい。より大きな液滴を作製するためには、バイアルシェーカーを使用して液体混合物を撹拌してもよい。
【００８５】
いくつかの実施形態では、脂質溶液は、溶液中における複数の異なる脂質物質からなる。入手した脂質は、約−２０℃の冷凍庫に保存される。この温度では、脂質は固体状態である。脂質は、使用前に冷凍庫から取り出し、室温で約２０分間放置してもよい。これは、脂質をゲル状態にするために行われる。脂質は一般に水には溶解しないので、プロピレングリコールを用いて溶解させてもよい。一度に全ての脂質をプロピレングリコールに溶解させると、溶液中に白い塊が形成されることがあるので、一度に全ての脂質を溶解させないことが好ましい。各脂質物質の溶解度を比較し、溶解度が最大である脂質物質を最初にプロピレングリコール等に溶解させることが望ましい。脂質の溶解度は、溶液の温度の関数であるため、溶液は脂質の転移温度よりも高い温度に維持されるべきである。表２には、脂質組成物の一例を示す。
【表２】
2021509084.tif 000004
【００８６】
脂質溶液を作製するための１つの代表的なプロセスは、以下の通りである。まず、混合のために、プロピレングリコールを脂質混合物の最高転移温度まで加熱する。次に、最大溶解度を有する脂質物質を、加熱されたプロピレングリコールに加える。次いで、脂質物質とプロピレングリコールをバスソニケーターで混合する。続いて、溶解度の低い脂質を、バスソニケーター中のプロピレングリコール混合物に加える。
【００８７】
グリセロールと緩衝液との混合物を同時に調製してもよい。グリセロールと緩衝液を最高転移温度まで加熱する。脂質−プロピレングリコール溶液がソニケーター内で半透明になる（白い塊が無くなる）と、脂質−グリコール溶液はグリセロール−バッファ溶液と混合される。得られた混合物は、３０００ｒｐｍで動作するホモジナイザーで均質化する。均質化は約１時間行われる。均質化プロセスの間、温度は脂質の最高転移温度に維持される。
【００８８】
調製された脂質溶液は、塵埃、未溶解の脂質塊などの可能性のある汚染物質を除去するために濾過される。濾過プロセスは、親水性シリンジフィルターを用いて行ってもよい。フィルターは、使用前に同じ温度のバッチに浸される。いくつかの実施形態では、２．０ミクロンのフィルターが使用される。他の実施形態では、０．８ミクロンのフィルターが使用される。さらに他の実施形態では、０．４５ミクロンのフィルターが使用される。いくつかの実施形態では、フィルターの組み合わせが使用されてもよい。
【００８９】
脂質溶液は、次に、狭い容器内でＰＦＣ液体と混合され、コア−シェル粒子を生成する。ＰＦＣ液体を最初に容器に入れ、脂質溶液をその上に注ぐ。より小さなサイズの液滴を作製するためには、容器内のＰＦＣ液の量を最小限にすることが望ましい。脂質溶液の体積に対するＰＦＣ液体の体積の比率が増加するにつれて、形成される液滴のサイズは、与えられる超音波パワーの安定期に達するまで増加する。ＰＦＣ液体は、表面張力値が低いため、強度が低いことに留意されたい。したがって、超音波の振幅を適切に選択し、超音波の入力を連続モードではなくパルスモードで行うべきである。ホーンソニケータアセンブリの先端は、２つの液体溶液の界面に配置されるべきである。気泡／泡の形成を避けるためには、ホーンを十分に溶液の中に存在させるべきである。ここでは、液滴の溶液を準備することを目的としているため、狭い容器を透明な低温槽に沈める。透明な低温槽は、例えば、食塩の過飽和溶液を作り、その食塩溶液を−２０℃の冷凍庫で保管することにより作られる。超音波処理によって、より小さなビーズが得られる。
【００９０】
一例では、脂質溶液は、約１ｍＬのプロピレングリコール＋１ｍＬのグリセロール＋８ｍＬの緩衝液＋１０ｍｇの脂質ブレンドで構成されてもよい。９ｍＬの脂質溶液を約１ｍＬのＰＦＣ溶液と組み合わせてもよい。脂質−ＰＦＣ溶液は超音波処理されてもよい。０．５インチのプローブと７５０ワットのソニケーターの場合、３０％のＰＦＰを利用したＰＦＣ溶液は、トータルの超音波処理時間が約１５秒に達するまで、約３秒間のオンと約１０秒間のオフで超音波処理される。４０％のＰＦＨを利用したＰＦＣ溶液は、トータルの超音波処理時間が約１５秒に達するまで、約３秒間のオンと約１０秒間のオフで超音波処理される。ＰＦＯＢを５０％使用したＰＦＣ溶液は、トータルの超音波処理時間が約１５秒に達するまで、約３秒間のオンと約１０秒間のオフで超音波処理される。超音波処理により、液滴の溶液が生成される。
【００９１】
より大きなサイズの液滴を調製するためには、ＰＦＣ液体の量を増加させ、ソニケーターの電力入力を大幅に減少させる。別の非限定的で例示的な実施形態では、５００マイクロリットルのＰＦＣ及び２ｍＬの脂質溶液を、３ｍＬのバイアルに入れてもよい。次いで、バイアルをバイアルミキサーで４８００ｒｐｍ、３０秒間振盪してもよい。調製された液滴の懸濁液には、若干のマイクロバブルが存在してもよい。マイクロバブルが存在する場合は、溶液を遠心分離してもよい。
【００９２】
これらのＰＦＣ−脂質粒子の結合効率は、ＮｅｕｔｒＡｖｉｄｉｎ（登録商標）を液滴溶液に加えることによって試験することができる。ＮｅｕｔｒＡｖｉｄｉｎ（登録商標）は、アビジンの脱グリコシル化バージョンであり、質量は約６０，０００ダルトンである。ＮｅｕｔｒＡｖｉｄｉｎ（登録商標）は、アビジンと同様、ビオチン（Ｋｄ＝１０−１５Ｍ）に強い親和性を持つ四量体である。ただし、炭水化物が除去されているため、望ましくないレクチン結合は検出不可能なレベルまで減少するが、ビオチン結合親和性は保持されている。ＮｅｕｔｒＡｖｉｄｉｎ（登録商標）はまた、ほぼ中性のｐＩ（ｐＨ６．３）を持ち、負に帯電した細胞表面又はＤＮＡ／ＲＮＡとの非特異的な相互作用を最小限に抑える。ＮｅｕｔｒＡｖｉｄｉｎ（登録商標）には、誘導体化又は結合のために利用可能なままのリジン残基を有している。あるいは、結合複合体（例えば、アビジン−ビオチン）が存在する場合、凝集体が形成されることがある。この凝集現象は、液滴の集団をより大きなサイズに偏らせる１つの方法であり得る。このメカニズムは、図４に図示されている。左側には、９つのＰＦＣ−脂質粒子３００が図示されており、脂質シェルが液体ＰＦＨコアを取り囲んでいる。脂質は、ビオチン複合体３０６を含む。アビジン又は類似の分子に曝されると、粒子はより大きな粒子３１０に凝集する。
【００９３】
ある実験では、５ｍＬの液滴溶液を採取し、５ｍｇ／ｍＬのＮｅｕｔｒＡｖｉｄｉｎ（登録商標）溶液１００マイクロリットルとインキュベートした。この混合溶液を１時間放置し、元の液滴溶液とＮｅｕｔｒＡｖｉｄｉｎ（登録商標）でインキュベートした液滴溶液とから、サイズ測定を行った。
【００９４】
図５Ａは、０．６ミクロンから１．２５ミクロンのサイズを持つ液滴のサイズ分布を示すグラフである。図５Ｂは、１．２５ミクロンから２．２５ミクロンのサイズを持つ液滴のサイズ分布を示すグラフである。細い線は、ＮｅｕｔｒＡｖｉｄｉｎ（登録商標）を添加していない液滴溶液のものである。太い線は、ＮｅｕｔｒＡｖｉｄｉｎ（登録商標）を添加した液滴溶液のものである。ここに示されているように、ＮｅｕｔｒＡｖｉｄｉｎ（登録商標）を添加した場合、所定サイズの粒子数が多くなり、別の言い方をすれば、線が右側にシフトした（例えば、粒子サイズが大きくなる）。
【００９５】
ポリマー粒子はまた、水相と不連続モノマー相とが存在する連続相及び不連続相のエマルジョンを介して生成されてもよい。エマルジョンの反応容器はまた、界面活性剤及びフリーラジカル開始剤を含んでもよい。エマルジョンが攪拌されると、エマルジョンが加熱され、フリーラジカル開始剤がエマルジョン内に導入される。これにより、モノマー粒子が重合し、したがって、水相中に重合したマイクロ粒子の混合物が得られる。このプロセスにより、均一なサイズの粒子を得ることができる。このプロセスの例としては、非イオン性界面活性剤であるオクチルフェノールエトキシレートと一緒に水相中に分散させたスチレンモノマーが挙げられ、この場合、エマルジョンを撹拌及び加熱しながら、過酸化ベンゾイルを反応容器内に導入する。
【００９６】
マイクロ粒子はまた、電気流体力学的噴霧（ＥＨＤＳ）の技術を使用して作製されてもよく、この場合、噴霧されている間の液体流の霧化が非常に微細な粒子径の生成を可能にするような混合ガス中に、ポリマー流体が噴霧される。ポリマーは、スプレーノズルに導入される前に設置されていてもよい。また、ポリマーは、スプレーノズルに導入される前に混合され、スプレーノズルを通過してガス又はガス混合物中に移動するにつれて重合する二成分混合物又は多成分混合物の反応の結果であってもよい。ガスは、窒素やアルゴンなどの不活性ガスであってもよい。ガス混合物は、空気であってもよいし、ヘリウム／酸素及び窒素／酸素混合物などの他のガス混合物であってもよい。ＥＨＤＳシステムは、典型的には、液体の表面に加えられる電気力によって引き起こされる物理的プロセスである。
【００９７】
マイクロ粒子及びナノ粒子はまた、ポリマー液体、又は水性若しくは溶媒ベースに担持されるポリマー液体の単純な噴霧乾燥によって製造されてもよい。
【００９８】
粒子が使用される媒体又は一次流体は、粒子と一次流体との間の識別性を高めるために改変され得る。
【００９９】
図６は、マイクロ／ナノ粒子を作製してペイロードを導入し、そのペイロードを離脱させるための例示的なプロセス６００を示しており、そのプロセスは、Ｘｕらによる「多応答性薬物送達のための中空で階層的なハイドロキシアパタイト／Ａｕ／高分子電解質のハイブリッド微粒子（Hollow hierarchical hydroxyapatite/Au/polyelectrolyte hybrid microparticles for multi-responsive drug delivery）」（J. Mater. Chem. B. 2014, 2, 6500-6507）にはより詳細に記載され、その記載の全体は参照により本書に組み込まれる。まず、６０２で、Ｎａ２ＣＯ３とＣａ（ＮＯ３）２とを組み合わせて、ＣａＣＯ３のテンプレートマイクロ粒子６０３を形成する。次に、６０４において、（Ｃａ１０（ＰＯ４）６（ＯＨ）２，ＨＡＰ）（「ＨＡＰ」）コーティング６０６が、水熱反応でＣａＣｏ３コア６０３に塗布される。ＨＡＰは、その生体適合性及び生分解性により、生物医学分野で広く使用されている。ＨＡＰ層６０６の生成に続いて、ＣａＣＯ３コア６０３とＨＡＰコーティング６０６とを有する粒子は、次に、レイヤー・バイ・レイヤー（ＬｂＬ）技術によって、高分子電解質６０８を組み込まれる。このような高分子電解質は、脂肪族ポリ（ウレタン−アミン）（ＰＵＡ）、及び、ナトリウムポリ（スチレンスルホン酸）（ＰＳＳ）を例として含む。ＬｂＬコーティング６０５の後、金ナノ粒子（ＡｕＮＰ）６１０は、静電相互作用を介してマイクロ粒子に導入される。ＡｕＮＰ６１０は、中空粒子に導入されたペイロードの離脱を遅らせるのに役立つ。
【０１００】
中空ＨＡＰ粒子６１２は、例えば酢酸などの化学エッチング溶液ステップ６１１でＣａＣｏ３コア６０３を除去することにより形成される。次に、中空ＨＡＰ粒子６１２は、ペイロード送達のためにペイロード６１４が導入される。導入された粒子６１６が所望の目的地に到達すると、ペイロード６１４は中空粒子キャリア６１２から離脱してもよい。ペイロード６１４の離脱／活性化６２０は、環境温度やｐＨの変化で、又は、近赤外照射（ＮＩＲ）に応答して、促進され得る。
【０１０１】
〔デバイス及びシステム〕
【０１０２】
一般に、本開示の粒子は、音響波を用いて操作することができる。マイクロ粒子及びナノ粒子の操作に利用できる音響波は、複数次元音響定在波、平面定在波、又は、複数次元音響定在波と平面定在波との組み合わせなどの音響定在波であってもよい。
【０１０３】
図７は、音響進行波７００を示す。音響波は、媒体中における断熱圧縮及び減圧によって伝播する縦波の一種である。波７００は、頂点７０２を含む。頂点７０２は、伝播方向７０４に移動する。
【０１０４】
音響進行波７００は、マイクロ粒子及びナノ粒子が音響システムで処理されるときに、それらのコントラスト因子を変化させることが可能である。言い換えると、進行する音響波によって処理されるマイクロ粒子、ナノ粒子のコントラスト因子は、音響定在波によって処理されるときのマイクロ粒子、ナノ粒子とは異なっていてもよい。
【０１０５】
複数の進行波の組み合わせは、各波が反対方向に進行して波の重ね合わせを形成するときに音響定在波を生成することが可能である。図８は、音響定在波８０１を生成する音響定在波システム８００を示す。このシステムは、リフレクタ８０４と超音波トランスデューサ８０２とから構成されている。通常、数百ｋＨｚから数十ＭＨｚの範囲の励起周波数がトランスデューサ８０２によって印加される。トランスデューサ８０２とリフレクタ８０４との間には、１又は２以上の定在波が生成される。定在波は、周波数及び強度が等しい互いに反対方向に移動する２つの伝播波の合成、例えば、トランスデューサからリフレクタに向かう伝播波とその戻りの伝播波との合成である。伝播波は互いに破壊的に干渉して定在波を発生させる。媒体上の点Ａは、時間の経過とともに正の最大変位から負の最大変位へと移動する。この図は、定在波パターンの運動の半周期だけ示している。この運動は、Ａ点が同じ正の最大変位まで戻って上昇位置から下降位置までの間で往復振動を続けるように、継続して持続する。最大変位を持つ位置Ａは腹と呼ばれる。媒体上の点Ｂは、全く移動しない点であることに留意されたい。点Ｂは変位の無い点である。このような点は節と呼ばれる。
【０１０６】
上述した粒子８０６（マイクロ粒子又はナノ粒子）を担持する流体媒体は、音響チャンバ／音響定在波システム８００を通って、８０５の方向に流れ得る。生成された定在波８０１は、流体の流れ８０５に反して粒子８０６を捕捉することが可能である。正のコントラスト因子を有する粒子は圧力節で捕捉される一方、負のコントラスト因子を有する粒子は腹で捕捉されることになる。別の言い方をすれば、粒子は、第１の位置又は所望の位置に集中する。粒子がペイロードを運ぶ場合、そのペイロードは離脱してもよい。その離脱は、例えば、時間の経過した後（例えば、シェルが溶解又は溶融した後）に、又は、外部エネルギー源に曝された時に、又は、本書で前述したように、起こり得る。
【０１０７】
本書で説明される音響デバイスは、マルチモード又は平面モードで動作し得る。マルチモードとは、三次元的に音響力を発生させる音響トランスデューサによって音響波を生成することを意味する。超音波であってもよいマルチモード音響波は、１又は２以上の音響トランスデューサによって生成され、本書では、複数次元音響定在波又は三次元音響定在波と呼ばれることがある。平面モードとは、実質的に一次元、例えば伝播方向に沿った音響力を発生させる音響トランスデューサによって音響波を生成することを意味する。平面モードで生成される、超音波であってもよいこのような音響波は、本書では、一次元音響定在波と呼ばれることがある。
【０１０８】
音響デバイスは、流体／粒子混合物中にバルク音響波を発生させるために使用されてもよい。バルク音響波は、流体の体積を通って伝播するものであり、トランスデューサの表面で作動する傾向がありかつ流体の体積を伝播しない表面音響波とは異なる。
【０１０９】
音響トランスデューサは、圧電材料で構成されていてもよい。このような音響トランスデューサは、電気的に励起して平面音響波又はマルチモード音響波を発生させることができる。マルチモード音響波によって生成される三次元音響力は、音響波の伝播方向とは一致しない半径方向又は横方向の力を含む。横方向の力は、二次元で作用してもよい。横方向の力は、音響波の伝播方向に実質的に一致しているマルチモード音響波の軸方向力に加えて存在している。横方向の力は、そのようなマルチモード音響波における軸方向力の大きさと同じオーダーであってもよい。マルチモード動作で励起された音響トランスデューサは、その表面に定在波を出現させ、それによってマルチモード音響波を発生させてもよい。音響トランスデューサの表面の定在波は、マルチモード音響波の動作モードに関連していてもよい。また、音響トランスデューサを電気的に励起して平面音響波を発生させる場合、トランスデューサの表面がピストン状の作用を示すことにより、一次元の音響定在波を発生させてもよい。平面音響波と比較して、マルチモード音響波は、同じ入力電力でも、継続的に非常に大きい粒子捕捉活性を示す。平面音響定在波及び／又は複数次元音響定在波を生成するために、１又は２以上の音響トランスデューサが使用されてもよい。いくつかの動作モードでは、マルチモード音響波は、所定サイズの粒子を塞き止め又は保持することのできる界面効果を発生させる一方、小さい粒子はマルチモード音響波を通過することができる。いくつかの動作モードでは、平面波は、粒子サイズに特徴的な特定の角度で粒子を偏向させるために使用することができる。
【０１１０】
音響泳動は、音響波を用いて物質を分離することである。本書で説明される実装例は、低消費電力で、圧力損失が無く、詰まりも無い、ソリッドステートのアプローチを提供して、流体分散液から粒子を分離する。粒子からの音響場の散乱により、粒子を一緒に引き寄せる二次的な音響力が発生する。マルチモード動作の結果、三次元の音響放射力が発生し、これが三次元の捕捉場として作用する。粒子が波長に対して小さい場合、音響放射力は、粒子の体積（例えば半径の３乗）に比例する。音響放射力は、周波数と音響コントラスト因子に比例する。音響放射力は、音響エネルギー（例えば音響圧力振幅の２乗）に比例する。高調波励起の場合、力の正弦波の空間変動が粒子を定在波内の安定した位置に駆動する。粒子に及ぼされる音響放射力が流体抗力と浮力／重力との複合効果よりも強い場合、粒子は、音響定在波の場内に捕捉される。捕捉された粒子に対して横方向及び軸方向の音響力が作用する結果、臨界サイズに達したときにホスト流体よりも重い粒子が重力の作用で連続的に沈降し、又は、ホスト流体よりも軽い粒子が浮力の作用で上昇し、そのような粒子が濃縮、クラスタ化、塊化、凝集及び／又は合体をすることを通じて、密に詰められたクラスタが形成される。さらに、ビヤークネス力のような二次的な粒子間力が粒子の凝集を助ける。
【０１１１】
以下の説明は、電気泳動の目的では粒子と見なすことのできる生物細胞に向けられる。ほとんどの生物細胞タイプは、それらが懸濁している流体媒体よりも密度が高くかつ圧縮率が低いため、細胞と媒体の間の音響コントラスト因子は正の値を持つ。その結果、軸方向音響放射力（ＡＲＦ）は、細胞を定在波の圧力節に向けて駆動する。音響放射力の軸方向成分は、正のコントラスト因子を有する細胞を圧力節に駆動する一方、負のコントラスト因子を有する細胞又は他の粒子は腹に駆動される。音響放射力の半径方向又は横方向の成分は、細胞を捕捉する力である。ＡＲＦの半径方向又は横方向の成分は、流体抗力と重力との複合効果よりも大きい。
【０１１２】
複数次元超音波定在波に捕捉される細胞の場合、細胞上の力バランスはゼロと仮定することができ、したがって、横方向の音響放射力ＦＬＲＦの式は、ＦＬＲＦ＝ＦＤ＋ＦＢであり、ここで、ＦＤは抗力であり、ＦＢは浮力である。既知のサイズと物質特性を持つ細胞の場合、所定の流量のときには、この式を使用して横方向の音響放射力の大きさを推定することができる。
【０１１３】
音響放射力を計算するために使用される１つの理論モデルは、ゴルコフ（Ｇｏｒ’ｋｏｖ）によって開発された定式化に基づいている。一次音響放射力ＦＡは、音響圧力ｐ、流体粒子速度ｕ、細胞密度ρｐと流体密度ρｆとの比、細胞音速ｃｐと流体音速ｃｆとの比、及び生体細胞の体積Ｖｏによって影響を受ける電界ポテンシャルＵ、ＦＡ＝−∇（Ｕ）の関数として定義される。
【０１１４】
ゴルコフの理論は、流体及び粒子において音場の波長に対して小さい粒子サイズに限定されている可能性があり、また、流体及び粒子の粘性が放射力に及ぼす影響を考慮していない可能性がある。波長に対する粒子サイズの制約を受けずに、粒子の音響放射力を計算するための追加の理論モデル及び数値モデルが開発された。これらのモデルは、流体及び粒子の粘性の影響も含まれるので、より正確な音響放射力の計算が可能である。実装されたモデルは、「ＡＩＰ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ」（Ｖｏｌ．１４７４−１，ｐｐ．２５５〜２５８（２０１２））に記載されているユーリ  イリンスキー（Yurii Ilinskii）とエフゲニア  ザボロツカヤ（Evgenia Zabolotskaya）の理論研究に基づいている。また、定在波中に捕捉された粒子の「ホッケーパック（ｈｏｃｋｅｙ  ｐｕｃｋｓ）」のような円筒形の物体についての音響捕捉力を計算するための追加の社内モデルが開発された。
【０１１５】
望ましくは、超音波トランスデューサは、流体中に複数次元定在波を発生させ、軸方向の力に付随して懸濁粒子に横方向の力を与える。文献で開示されている典型的な結果は、横方向の力の大きさが軸方向の力よりも２桁小さいとされている。対照的に、本願に開示される技術は、横方向の力の大きさが軸方向の力と同じオーダーであるものを提供する。しかしながら、本書でさらに説明する特定の実施形態では、デバイスは、複数次元音響定在波を生成するトランスデューサと平面音響定在波を生成するトランスデューサの両方を使用する。本開示の超音波トランスデューサによって生成される全ての音響放射力（ＡＲＦ）の横方向力成分は、重要であり、最大１ｃｍ／ｓの線速度で流体抗力に打ち勝って密に詰められたクラスタを生成するのに十分であり、全音響放射力の軸方向力成分と同じオーダーの大きさをもつ。
【０１１６】
音響定在波は、三次元の音響場であり、長方形のトランスデューサによる励起の場合、流体におけるほぼ長方形柱の体積を占めるものと説明することができる。トランスデューサは、リフレクタ又は境界に対面するように構成して、その間で定在波の生成を可能にすることができる。トランスデューサは、別のトランスデューサに対面するように構成され、その両方が、その間に定在波を生成するように動作する。トランスデューサは、吸音材に対面させて進行波を発生できるように構成することができる。
【０１１７】
いくつかの例では、前記長方形の柱は、トランスデューサとリフレクタとによって画定される２つの対向する面と、デバイスの壁によって構成される隣接する一対の対向する面と、流路の入口及び出口を画定し得る最後の対向する一対の面とを含む。トランスデューサとリフレクタとによって生成される音響波は、例えば音響定在波の場の上流側の面の近くのような流路入口の近くに位置する界面又はバリア領域の界面を作り出し、「音響のバリア又はエッジ効果」を生み出す。この位置は、上流側界面領域とも呼ばれる。音響バリアは、例えば高い音響コントラスト因子などの所定の特性をもつ粒子が、トランスデューサとリフレクタとによって生成される音響定在波を通過することを防ぐことができる。
【０１１８】
音響バリアによって保持又はブロックされた粒子は、カラムのようなチャンバ内に捕捉されてもよいし、バイオリアクターのような保持装置に戻されてもよい。循環流の動きは、一次再循環流によって音響バリアの隣に生成でき、システム効率を向上させるために音響チャンバの形状を変化させて最適化することができる。
【０１１９】
図９及び図１０は、本開示の粒子とともに使用可能な音響泳動デバイスの図である。図９は正面断面図であり、図１０は外観斜視図である。特に、本実施形態は、クラスＶＩの材料（例えば、医療機器グレードのＨＤＰＥ）をクリーンな機械加工技術により単一若しくは溶接された射出成形部品とて使用して製造できるように特別に設計されている。このように、本実施形態は、ガンマ安定性（ｇａｍｍａ−ｓｔａｂｌｅ）を有する１回使用のデバイスの一例である。このデバイスは、バイオバーデンを除去するために洗浄され、次いでガンマ線照射され（一般的には２５〜４０ｋＧｙ）、灌流バイオリアクターに存在するような健全な細胞培養物を破壊する可能性のあるあらゆる潜在的な汚染を滅菌する。
【０１２０】
最初に図９を参照すると、このデバイス７００では、入口ポート７１０及び収集ポート７７０の両方とも、デバイスの上端７１８あるいはデバイスの上壁７７６上に配置されている。出口ポート７３０は、デバイスの下端７１６に配置されている。ここで、入口ポート７１０及び出口ポート７３０は、両方ともデバイスの第１側面７１２にある。入口流路７５１は、入口ポートから下向きに下端に向かって延びて出口ポートを通過するチャネル７５５の形態であり、そのチャネルは、音響チャンバ７５０から分離されている（ここでは、内壁７５６によって分離されている。）。流体は、そのチャネル内を下向きに流れ、その後、音響チャンバ７５０内を上向きに上昇する。音響チャンバの底壁７２０は、出口ポート７３０に向かって下方に傾斜する傾斜平面である。超音波トランスデューサ７６０の位置は、ここでは、デバイスの上端と下端との間の２つの正方形として示されている。収集流路７５３は、トランスデューサの上方に位置している。
【０１２１】
ここで、図１０を参照すると、デバイス７００は、三次元の矩形ハウジング７０６内に形成されているものとして示されている。デバイスの下端７１６の出口ポート７３０が前壁７７５上に配置されていることが分かる。また、収集ポート７７０及び入口ポート７１０が上壁７７６上に配置されている。前壁７７６には、透明な材料からなる視認窓７０８が存在する。その視認窓を通して、超音波トランスデューサがデバイスハウジング７０６の後壁７７８に取り付けられていることが分かる。視認窓は、複数次元音響定在波を発生させるためのリフレクタとして機能する。
【０１２２】
デバイス７００は、細胞及び粒子を互いに反応させるために使用することができ、粒子は、音響波が存在するトランスデューサ７６０の周囲領域付近において、ペイロードを細胞に送達する。その後、細胞は、出口ポート７３０を通って出ることができ、他の流体は、収集ポート７７０を通って出る。
【０１２３】
粒子はまた、細胞と相互作用することができ、粒子の表面上の機能化と選択されるべき所望の細胞とに応じて、負または正の選択を行うことができる。粒子の機能化された部分は、ターゲット細胞の表面上の受容体と結合し、細胞がシステム内で除去又は保持され得るようになる。
【０１２４】
図１１は、本開示の音響フィルタリングデバイスに使用される、本開示の一例による超音波トランスデューサ８１の断面図である。トランスデューサ８１は、円盤状又は板状の形状をしており、アルミニウムハウジング８２を有する。アルミニウムハウジングは、上端と下端とを有する。また、トランスデューサのハウジングは、医療グレードのＨＤＰＥなどのプラスチック又は他の金属で構成されていてもよい。圧電素子は、ペロブスカイト構造のセラミックが集まった塊であり、各セラミックは、通常は鉛又はバリウムである２価の大きな金属イオンの格子内にある、通常はチタン又はジルコニウムである４価の小さな金属イオンと、Ｏ２−イオンの格子とからなる。この例では、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の圧電素子８６がトランスデューサの下端を規定し、ハウジングの下端外部から露出している。圧電素子は、圧電素子とハウジングとの間に配置される小さな弾性層９８、例えばエポキシ、シリコーン又は同様の材料によって、その周囲を支持されている。別の言い方をすれば、保護板又はバッキング材料は存在しない。しかしながら、いくつかの実施形態では、音響定在波が発生している流体から圧電素子を分離するプラスチック又は他の材料の層が存在する。圧電素子／結晶は、（露出している）外面と、同様に内部表面とを有する。特定の実施形態では、圧電素子／結晶は、不規則な多角形であり、さらなる実施形態では、非対称で不規則な多角形である。
【０１２５】
ねじ８８は、ねじ山を介して、ハウジングのアルミニウム上部プレート８２ａをハウジングの本体８２ｂに取り付ける。上部プレートは、トランスデューサに電力を供給するためのコネクタ８４を含む。ＰＺＴ圧電素子８６の上面は、絶縁材料９４によって分離された正電極９０と負電極９２に接続される。電極は、銀やニッケルなどの任意の導電性材料から作ることができる。電力は、圧電素子上の電極を介してＰＺＴ圧電素子８６に供給される。なお、圧電素子８６は、バッキング層やエポキシ層を有していない。別の言い方をすれば、アルミニウム上部プレート８２ａと圧電素子８６との間のトランスデューサ内には内部容積又はエアギャップ８７が存在する（例えばハウジングは空である。）。図１２に見られるように、いくつかの実施形態では、最小限のバッキング５８（内面）及び／又は保護板５０（外面）が提供されてもよい。
【０１２６】
トランスデューサの設計は、システムの性能に影響を与え得る。典型的なトランスデューサは、セラミック圧電素子がバッキング層及び保護板に接合された層状構造である。トランスデューサには定在波によって示される高い機械的インピーダンスが負荷されるため、例えば、定在波用途のための半波長厚さ又は放射線用途のための１／４波長厚さなどの従来の保護板の設計ガイドライン及び製造方法は、適切ではない場合があり得る。むしろ、本開示の一実施形態では、トランスデューサは、保護板又はバッキングを有しておらず、圧電素子は、その高いＱ値を有する固有モードの１つで又は複数の固有モードの組み合わせで振動することができる。振動するセラミック圧電素子／ディスクは、流体セルを流れる流体に直接曝される。
【０１２７】
バッキングを取り除くこと（例えば、圧電素子の背面が空気に接すること）はまた、セラミック圧電素子が、わずかな減衰（例えば、より高次のモード変位）で高次の振動モードで振動することを可能にする。バッキングを備えた圧電素子を有するトランスデューサでは、圧電素子は、ピストンのように、より均一な変位で振動する。バッキングを取り除くと、圧電素子は不均一な変位モードで振動する。圧電素子のモード形状が高次になるほど、圧電素子はより多くの節線を有する。圧電素子の高次のモード変位は、より多くの捕捉線を生じさせるが、捕捉線と節との相関関係は必ずしも１対１ではなく、圧電素子をより高い周波数で駆動しても、必ずしもより多くの捕捉線が生じるとは限らない。
【０１２８】
リフレクタは、ファセットリフレクタのような非平面型のものであってもよい。また、リフレクタは、平面又は非平面の表面を有する別のトランスデューサであってもよい。いくつかの例では、２つの対向するトランスデューサが、それらの間に音響定在波のような音響波を発生させるために使用される。
【０１２９】
本開示の音響フィルタリングデバイスのいくつかの実施形態では、圧電素子は、圧電素子のＱ値への影響が最小限（例えば５％未満）であるバッキングを有してもよい。バッキングは、圧電素子が高次モード形状で振動することを可能にし、かつ、高いＱ値を維持しながら圧電素子に何らかの機械的な支持をするバルサ材、発泡体又はコルクなどの音響的に実質的に透明な材料で作られていてもよい。バッキング層は、中実であってもよく、又は、層を貫通する穴を有する格子であってもよく、そのような格子は、特定の高次振動モードで振動する圧電素子の節に追従し、圧電素子の残りの部分が自由に振動することを可能にしながら、節の位置で支持をする。格子の作用又は音響的に透明な材料の目的は、圧電素子のＱ値を下げることなく、又は、特定のモード形状の励振を妨げることなく、支持をすることである。
【０１３０】
圧電素子を流体と直接接触させて配置することもまた、エポキシ層及び保護板の減衰及びエネルギー吸収効果が回避されることにより、高いＱ値に寄与する。トランスデューサの他の実施形態では、鉛を含むＰＺＴがホスト流体と接触するのを防ぐために、保護板又は保護面を有してもよい。これは、例えば、血液の分離、生物薬剤学的灌流、又は、哺乳類細胞のフィードバッチ濾過などの生物学的用途において望ましい場合がある。このような用途では、クロム、電解ニッケル又は無電解ニッケルなどの保護層を使用してもよい。ポリ（ｐ−キシリレン）（例えばパリレン）又は別のポリマーの層を塗布するために、化学蒸着が使用されてもよい。シリコーン又はポリウレタンのような有機及び生体適合性のコーティングもまた、保護面として使用可能である。ＰＥＥＫフィルムのような薄膜もまた、生体適合性材料であるという利点を有し、流体に曝されるトランスデューサ表面のカバーとして使用することができる。一実施形態では、ＰＥＥＫフィルムは、感圧接着剤（ＰＳＡ）を用いて圧電材料の面に接着される。他のフィルムも同様に使用することができる。
【０１３１】
いくつかの実施形態では、油／水エマルジョンの分割などの用途及び灌流などの他の用途のために、超音波トランスデューサは、公称２ＭＨｚの共振周波数を有する。各トランスデューサは、３ＧＰＭの流量で液滴を捕捉するために約２８Ｗの電力を消費することができる。これは、０．２５ｋＷｈｒ／ｍ３のエネルギーコストに相当する。これは、この技術のエネルギーコストが非常に低いことを示している。各トランスデューサは、増幅器を含み得る専用のドライバによって電力を供給され、制御されてもよく、又は、複数のトランスデューサが単一のドライバによって駆動されてもよい。他の実施形態では、超音波トランスデューサは、例えば１インチ×１インチ寸法をもつ正方形の圧電素子を使用する。あるいは、超音波トランスデューサは、例えば１インチ×２．５インチ寸法をもつ長方形の圧電素子を使用することができる。十分な音響捕捉力を得るために、トランスデューサあたりの消費電力は、１インチ×１インチ寸法のトランスデューサの断面積あたり、かつ、音響定在波スパンの１インチあたり、１０Ｗであった。中間スケールシステムの４インチスパンの場合、１インチ×１インチの正方形トランスデューサ１個あたり４０Ｗを消費する。より大きな１インチ×２．５インチの長方形トランスデューサでは、中間スケールシステムで１００Ｗを消費する。３つの１インチ×１インチの正方形トランスデューサのアレイでは、合計１２０Ｗを消費し、２つの１インチ×２．５インチの長方形トランスデューサのアレイは、約２００Ｗを消費する。トランスデューサのサイズ、形状、数及び位置を必要に応じて変更して、所望の複数次元音響定在波パターンを生成することができる。
【０１３２】
トランスデューサのサイズ、形状及び厚さは、異なる励起周波数でのトランスデューサの変位を決定し、これは、ひいては分離効率に影響を与える。典型的には、トランスデューサは、厚みの共振周波数（半波長）に近い周波数で動作する。トランスデューサの変位勾配は、通常、細胞／生体分子のための捕捉位置をより多くもたらす。高次のモードの変位は、すべての方向の音響場に強い勾配をもつ三次元音響定在波を発生させ、それにより全方向に等しく強い音響放射力が生じ、捕捉線の数がトランスデューサの特定のモード形状と相関している場合、複数の捕捉線をもたらす。
【０１３３】
一様な変位をもつピストンのように結晶が効果的に移動する振動形態とは対照的に、トランスデューサによって生成される音響放射力の横方向の力は、より高次のモード形状でトランスデューサを駆動することによって増大させることができる。音響圧力は、トランスデューサの駆動電圧に比例する。電力は、電圧の２乗に比例する。トランスデューサは、通常、薄い圧電プレートであり、ｚ軸に電界があり、ｚ軸に一次変位をもつ。トランスデューサは、通常、一方の側が空気（例えば、トランスデューサ内のエアギャップ）と結合され、他方の側が細胞培地の流体混合物と結合される。前記プレートで生成される波の種類は、複合波として知られている。圧電プレート内の複合波の一部は、リーキー対称（ｌｅａｋｙ  ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ）（圧縮又は伸長とも呼ばれる。）のラム波に類似している。前記プレートの圧電性により、通常、対称的なラム波が励起される。ラム波は水層に放射されるため漏れが生じ、その結果、水層内に音響定在波が発生する。ラム波は、その表面上に無応力状態で無限に薄いプレート内に存在する。本実施形態のトランスデューサは、本質的に有限であるため、実際のモード変位はより複雑である。
【０１３４】
トランスデューサは、圧電素子が一般式（ｍ，ｎ）の高次モードで振動するように駆動され、ここでｍ及びｎはそれぞれ独立した１以上の数である。一般に、トランスデューサは、（２，２）よりも高次のモードで振動する。高次モードは、より多くの節と腹とを生成し、その結果、水層内に三次元定在波を生じさせ、定在波の方向だけでなく横方向にも、全方向の音響場に強い勾配があるという特徴がある。その結果、音響勾配により、横方向に強い捕捉力が生じる。
【０１３５】
実施形態において、トランスデューサを駆動する電圧信号は、正弦波、方形波、ノコギリ波、パルス波又は三角波の波形をもつことができ、５０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数を有することができる。電圧信号は、任意の所望の波形を生成するパルス幅変調で駆動することができる。電圧信号は、ストリーミングを排除するために、振幅変調又は周波数変調の開始／停止機能を有することもできる。
【０１３６】
トランスデューサは、定在波の方向と直交する方向と定在波の方向との両方に同じオーダーの大きさの音響放射力を発生させる圧力場を形成するために使用される。力がほぼ同じオーダーの大きさである場合、サイズが０．１ミクロンから３００ミクロンの粒子は、「捕捉線」に向かってより効果的に移動するため、粒子は圧力場を通過せず、フィルタリングデバイスの収集ポートから排出され続ける。その代わりに、粒子は、音響チャンバ内に残り、バイオリアクターに戻ってリサイクルされる。
【０１３７】
生物学的用途においては、システムのすべての部分（例えば、バイオリアクター、音響フィルタリングデバイス、それらを流体的に接続する管など）は、互いに分離可能で使い捨てにすることができる。音響泳動分離装置は、細胞の生存率を低下させることなく、ＣＨＯ細胞のより適切に分離できるようにすることで、遠心分離機や濾過装置よりも性能を向上させることができる。トランスデューサはまた、ＣＨＯ細胞の凝集による詰まりを防止又は解消するために、急速な圧力変化を生じるように駆動されてもよい。トランスデューサの周波数はまた、所与の電力に対して最適な効果を得るために変化させてもよい。
【０１３８】
本書に記載された技術及び実装は、統合された連続的で自動化されたバイオプロセシングのために使用されてもよい。非限定的な例として、ＣＨＯｍＡｂ処理は、本書に記載された技術及び装置を用いて実施されてもよい。制御は、バイオプロセシングに関与するいくつかのユニット又はすべてのユニットに分散することが可能である。ユニットからのフィードバックは、バイオプロセスの概要を得るために提供され得るもので、画面表示、制御フィードバック、報告、ステータスレポート及び他の情報伝達の形であってもよい。分散処理により、例えば、ユニット間のステップを調整し、バッチ実行制御を提供することで、所望のプロセス制御を達成するための高度な柔軟性が得られる。
【０１３９】
バイオプロセシングは、市販のコンポーネントを用いて実現することができ、１００％の細胞保持率を得ることができる。細胞密度は、静電容量信号に基づいて外部のセルブリードを介して制御することができる。音響波システムを利用する灌流装置は、生体適合性材料で実装することができ、ガンマ線滅菌された使い捨てのコンポーネントを含むことができる。処理システムはまた、非侵襲的であり、高粘度流体で動作可能な超音波流量測定を可能にする。このシステムは、使い捨ての滅菌済みコネクタと、制御用の簡単なグラフィカル・ユーザー・インターフェース（ＧＵＩ）とで実装することができる。
【０１４０】
音響波システムは、音響チャンバの下に誘導される掃引流（ｓｗｅｅｐｉｎｇ  ｆｌｏｗ）を含む。音響定在波は、流体中の粒子のバリアとして機能し、浄化されたストリームを通過させて抽出することができる。再循環ループは、高い流体速度と低い剪断速度で実施することができる。音響場を通る流体の速度は、再循環ループを通る流体速度よりも低くすることができ、これは、低い剪断力での分離を改善するのに役立つ可能性がある。
【０１４１】
また、細胞の陽性選択及び陰性選択は、各種粒子を用いて行ってもよい。例えば、ＴＣＲ陽性Ｔ細胞の陰性選択は、ＴＣＲ陽性Ｔ細胞がシステムから除去されるように、機能化粒子がＴＣＲ陽性Ｔ細胞と結合するプロセスである。ＴＣＲ陽性Ｔ細胞は、キメラ抗原受容体Ｔ細胞療法（ＣＡＲ−Ｔ）のようなプロセスには有害である。
【０１４２】
陽性選択プロセスはまた、改変されたＴ細胞が細胞培養から選別され、その後に細胞治療に利用されるような適切に機能化された粒子によって選択される特定の細胞のために利用されてもよい。
【０１４３】
上述の方法、システム及び装置は例である。様々な構成は、必要に応じて様々な手順又は構成要素を省略、置換又は追加してもよい。例えば、代替構成においては、前記方法は、説明されたものとは異なる順序で実行されてもよく、様々なステップが追加、省略又は組み合わされてもよい。また、特定の構成に関して説明された特徴は、他の様々な構成において組み合わされてもよい。構成の異なる態様及び要素は同様の方法で組み合わされてもよい。また、技術は進化しており、従って、前記要素の多くは例であり、本開示又は特許請求の範囲を限定するものではない。
【０１４４】
例示的な構成（実施形態を含む）の完全な理解を提供するために、本書の説明において具体的な詳細が与えられる。しかしながら、構成はこれらの具体的な詳細なしで実施されてもよい。例えば、前記構成を不明瞭にすることを避けるために、不必要な詳細なしに、周知のプロセス、構造及び技術が示されている。この説明は例示的な構成のみを提供するものであり、特許請求の範囲、適用性又は構成を限定するものではない。むしろ、前述の構成の説明は、説明された技術を実施するための説明を提供する。本開示の趣旨又は範囲から逸脱することなく、要素の機能及び配置に様々な変更を加えてもよい。
【０１４５】
また、構成は、フロー図又はブロック図として示されるプロセスとして説明されてもよい。それぞれが動作を逐次プロセスとして説明することがあるが、動作の多くは並行して又は同時に実行することができる。さらに、動作の順序は並べ替えられてもよい。プロセスは、図に含まれていない追加のステージ又は機能を有してもよい。
【０１４６】
いくつかの構成例を説明してきたが、本開示の趣旨から逸脱することなく、様々な修正形態、代替構成及び等価物を使用してもよい。例えば、上述の要素は、より大きなシステムの構成要素としてもよく、その場合、他の構造又はプロセスが、本発明の適用より優先されるか、又は、そうでなければ本発明の適用を修正してもよい。また、上述の要素が考慮される前、その間、又はその後に、多くの動作を行ってもよい。従って、上述の説明は特許請求の範囲を限定するものではない。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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