(57)【要約】本発明は、一体化分岐点または分岐フォークを有する微細技術チャネル系と単一の超音波発生源とを含む、超音波、層流、及び定常波効果を使用して粒子を流体から分離するための装置及び方法を提供する。本発明の特徴のうちの１つは、単一の超音波発生源は、定在波を発生し、チャネル系を含む完全な構造を励起するという点である。特別な反射体またはその他同様なものは使用しない。極めて薄い分割体は、流れを分離することができ、それによって本装置の有効性を高める。本装置は、シリコン中に製造される可能性があり、超音波エネルギーは、好ましくは圧電要素によって送達される可能性がある。
2004535912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口（１６０）、基部ステム（１１０）、分岐点（１７５）及び２つ以上の出口（１７０、１８０、１９０）を含むチャネルユニット並びに力学的エネルギーを該チャネルユニットの周囲に及び前記チャネルユニット中の流体に送達するための振動手段（５３、１５０）を備え、前記基部ステム（１１０）中の流体の薄層中の粒子の濃度は、該流体が前記分岐点に向かって流れるにつれて変化するように、かつ、前記分岐点（１７５）は、流体の前記薄層を別々の分岐中へと分離することができる形状を有するように、配置された、懸濁粒子を流体から分離するための装置において、前記チャネルユニットは板（５１）の第１の表面に近い材料層の一部として形成されることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記振動手段（５３、１５０）は、前記板（５１）の第２の表面と接触して配置されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１及び第２の表面は、前記板（５１）の対向する大きな面を含むことを特徴とする、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記チャネルユニットは、入口（１６０）及び３つの出口（１７０、１８０、１９０）を備えることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記板は、均質の材料の単一の部片であることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記板（５１）の前記第１の表面は、ガラスの層（５２）によって被覆されることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
板及び前記ガラスの層（５２）は一緒になって結合することを特徴とする、請求項３に記載の装置。
【請求項８】
前記基部ステムの壁（８１０、８２０）は、前記板（５１）に対して本質的に直角を成し、互いに平行であるかまたはほぼ平行であることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
【請求項９】
前記チャネルユニットは、単一の基板を用いて一体化されるかまたは一連の共存できるプロセスによって基板表面に置かれることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
【請求項１０】
前記分岐点（１７５）は十字形のように成形され、前記入口（１６０）は十字形基部ステム（１１０）の下端に位置し、前記３つの出口（１７０、１８０、１９０）は前記十字形の最上部に位置することを特徴とする、請求項２に記載の装置。
【請求項１１】
分岐点（１４９）は、基部ステム（１４２）を、間に角度α１及びα２を有する３つのアーム（１４３、１４４、１４５）へと分割し、α１及びα２の値は０〜９０度の間であることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
【請求項１２】
前記分岐点は、薄い分割壁（６１５、６２５）によって分割される３つの並列チャネル（６１０、６２０、６３０）へと直接に移行する前記基部ステム（１１０）の分割を含む、請求項２に記載の装置。
【請求項１３】
薄い壁（６１５、６２５）は、１〜４０マイクロメートル、好ましくは２０マイクロメートルの厚さを有することを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
【請求項１４】
前記チャネルの幅（１８５）は６０〜１４００マイクロメートルの範囲内であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記チャネルの幅（１８５）は７００マイクロメートルであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記力学的エネルギーは、超音波周波数帯内部の制御された周波数及び出力を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記振動手段は圧電要素（８５３）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記圧電要素（８５３）は、電気エネルギーを前記要素（８５３）に送達することができる制御ユニット（８６３）によって駆動されることを特徴とする、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記圧電要素は、前記均質の材料の単一の部片（５１）と音響的に接触して取り付けられることを特徴とする、請求項４または１７に記載の装置。
【請求項２０】
前記電気エネルギーは、波形、周波数及び出力に関して制御可能であることを特徴とする、請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
前記波形は、正弦波、三角波または方形波のうちの１つであるがこれらに限定されるものではないものとなるように制御可能であることを特徴とする、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記板はシリコンで製造されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
前記板はプラスチックで製造されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項２４】
前記流体は血液であり、前記流体から分離させる予定の前記粒子は赤血球であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項２５】
前記流体から分離させる予定の前記粒子は、脂肪を含む生物学的材料であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項２６】
超音波、層流、及び定常波効果を使用して粒子を流体から分離する方法であって：
−流体を第１の事実上の層流へと強制するチャネルユニットに、前記流体を供給する工程と；
−流れを、ある距離を通り過ぎるその流れの最中に超音波の定常波場にさらし、それによって、粒子の不均一分配を有する第２の事実上の層流を形成する工程と；
−粒子の濃度は第２の分離された流れにおけるよりも第１の分離された流れにおいて高くなるような様式で、第２の層流を前記第１及び第２の分離された流れに分離させる工程と；
を含む方法。
【請求項２７】
前記第１の事実上の層流は、断面積１mm２以下を有するように形成されることを特徴とする、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記第１の事実上の層流は、流量１〜１００マイクロリットル毎秒を与えられることを特徴とする、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
定常波の超音波場は、前記第１の事実上の層流の流れの方向に対して直角を成すことを特徴とする、請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
請求項２７に記載の前記定常波の超音波場は前記板と平行であり、すなわち前記波は前記チャネルの幅（１８５）内に存在するように適用されることを特徴とする、請求項２６に記載の方法。
【請求項３１】
前記距離は２〜１５mmであることを特徴とする、請求項２６に記載の方法。
【請求項３２】
前記方法は多数の段階において繰り返されることを特徴とする、請求項２６に記載の方法。
【請求項３３】
さらなる処理は、前記工程が繰り返される前に流体を導入する工程を含むことを特徴とする、請求項２６に記載の方法。
【請求項３４】
前記層流を２つ以上の分離された流れに分離させる工程は、前記分離された流れを、十字形の形状の別々のチャネルに指向することで実現されることを特徴とする、請求項２６に記載の方法。
【請求項３５】
調節された層流を２つ以上の分離された流れに分離させることは、前記分離された流れを、調節された流れに平行な別々のチャネルに指向することで実現されることを特徴とする、請求項２６に記載の方法。
【請求項３６】
前記調節された層流を２つ以上の分離された流れに分離させることは、前記分離された流れを、前記調節された流れに対して角度０〜９０度を有する別々のチャネルに指向することで実現されることを特徴とする、請求項２６に記載の方法。
【請求項３７】
前記方法は、力学的エネルギーを前記流体及びその周囲に伝送する圧電要素への電気エネルギーを、波形、周波数及び出力に関して制御することによって、前記超音波の定常波場に供給される出力を制御する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項２６に記載の方法。
【請求項３８】
前記波形は、正弦波、三角波または方形波のうちの１つであるがこれらに限定されるものではないものとなるように制御可能であることを特徴とする、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
粒子を含む前記流体は、脂肪を含む生物学的材料であることを特徴とする、請求項２６に記載の方法。
【請求項４０】
粒子を含む前記流体は、血液であることを特徴とする、請求項２６に記載の方法。
【請求項４１】
前記流れは、流量１〜１００マイクロリットル毎秒を与えられることを特徴とする、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記流れは、流量約５マイクロリットル毎秒を与えられることを特徴とする、請求項４０に記載の方法。
【請求項４３】
前記出力は、２０Vピークツーピークの電圧によって送達されることを特徴とする、請求項３７に記載の方法。
【請求項４４】
前記波形は、方形波であることを特徴とする、請求項３８に記載の方法。
【請求項４５】
前記周波数は、１MHzであることを特徴とする、請求項３８に記載の方法。
【請求項４６】
前記周波数は、２MHzであることを特徴とする、請求項３８に記載の方法。
【請求項４７】
最初の流体の密度を変更する目的で、該最初の流体の異なる密度を有する溶液を前記最初の流体に加える工程をさらに含み、粒子は前記流体から分離させる予定である、請求項２６に記載の方法。
【請求項４８】
前記流体は細菌を含む溶液であり、前記粒子は細菌である、請求項２６に記載の方法。
【請求項４９】
前記流体は幹細胞を含む溶液であり、前記粒子は幹細胞である、請求項２６に記載の方法。
【請求項５０】
前記流体は脂肪粒子を含む溶液であり、前記粒子は該脂肪粒子である、請求項２６に記載の方法。
【請求項５１】
前記チャネルユニットは、３つの入口（Ａ、Ｂ、Ａ）及び３つの出口（Ｃ、Ｄ、Ｃ）を備えることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
【請求項５２】
前記流体は血小板を含む流体であり、前記粒子は血小板であることを特徴とする、請求項５１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波の定在波及び微細技術を使用して、懸濁粒子を含む流体を、より高濃度及びより低濃度の前記懸濁粒子のフラクションに分離させるための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体中の粒子を音響定在波場にさらすと、粒子が定在波の節の位置に移動するかまたは節に関連して移動することは周知である。操作または分離のために超音波の定在波場を使用するという多数の試みが周知である。
【０００３】
WO 00/04978においては、流体内に懸濁した粒子に操作を行うための装置が説明されている。これは、粒子が懸濁した流体を流すためのダクト並びに該ダクトを幅方向に横切る音響定在波場を設定するための音響トランスデューサー及び反射体を備え、トランスデューサーと反射体との間の間隔は３００μm以下である。
【０００４】
生物科学のためのマイクロ及びナノスケール技術に関する第４回年次ヨーロッパ会議（ナノテク２０００）（4ｔｈ annual European conference on micro & nanoscale technologies for the biosciences (NanoTech 2000)）の抄録においては、Hawkes及びCoakleyは、“層流及び超音波の定在波を組み合わせた力場粒子フィルター（force field particle filter, combining laminar flow and ultrasound standing waves）”であって、この超音波の定在波が、流れに対して直角な音響経路長０.２５mmを有するものを説明している。
【０００５】
WO 98/50133においては、流体内に懸濁した粒子に操作を行うための装置が説明されている。これは、粒子が懸濁した流体を流すためのダクトを備え、該ダクトは、粒子が移動して平行な帯を形成するように音響定在波場を設定するための手段を有する。ダクトは幅の広がりを含む。
【０００６】
ＩＢＭ技術開示報告、第２５巻、第１号、１９８２年６月、１９２／１９３ページ（IBM technical disclosure bulletin vol. 25, No. 1, June 1982, page 192/193）においては、各々１つの反射体と希薄懸濁液が音響定在波場にさらされる互いの間の体積とを有する２つの互いに直交して取り付けられた超音波トランスデューサーを備える超音波連続フロープラスマフェレーシスセパレーターが開示されている。
【０００７】
特開平６−２４１９７７（JP 06241977 A）においては、微粒子を集中させ、濃縮するために、フローセルの中央部に節をもつ定在波の超音波を使用する微粒子計測装置が説明されている。
【０００８】
EP 0 773 055 A2及びA3においては、音響放射圧によって粒子を取り扱う方法及び装置が説明されている。この装置は、濃縮、ろ過または配列させたい微粒子を含む流体を収める容器と、前記流体に直接または間接に接するように配置された複数の超音波発生源とを備える。この装置はまた、前記超音波発生源からの超音波ビームを互いに重ね合せることで得られる超音波ビームを発生させるために前記超音波発生源を制御するための制御装置を備え、前記ビームは各々特定の強度、特定の周波数及び特定の位相を有する。
【０００９】
WO 93/19367 A2及びA3においては、粒子の集団化方法及び装置が説明されており、該装置は、液体の標本を入れる管と、管に横方向の定在波の超音波場を発生するよう配置された超音波トランスデューサーとを備える。定在波は、装置の使用中に浮遊する粒子が管の横方向に１以上の所定の領域へ移動するように、管の横方向の圧力振幅に累進的な変化を示す。定在波にさらすことを終了した後、粒子を沈殿させ、次に検査することができる。この装置について評価された使用は、免疫的凝集検定を実行することを含む。この書類は、米国特許第5,665,605号及び同第5,912,182号に基づく。
【００１０】
特開平７−４７２５９（JP 07 047259 A）においては、超音波を用いて流体中の微粒子を輸送するための装置が説明されている。この装置は、２枚の平板上に二次元的に配列された多数の超音波発生要素を備える。板同士の間に溶液を置くことができる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、板の表面部分に形成されかつ一体化分岐点または分岐フォークを有する微細技術チャネルと前記板の反対側の表面に密接して配置された超音波発生源とを含む、超音波、層流、及び定常波効果を使用して粒子を流体から分離するための装置及び方法を提供する。
【００１２】
定在波がチャネル中に発生し、それによって、流体中に懸濁した粒子は該流体の特定の薄層（lamina）に至り、１つ以上の薄層が、粒子を含まずに形成されるか、または最初に挙げたものとは異なる特性を有する粒子を運ぶように形成される。前記薄層は従って前記板に対して直角を成して配置され、これは重要であり、というのは、別のチャネルとの連結もまた同じ板の内部で生じることができるように、チャネルの分岐は板の内部で生じなければならないからである。この点の利益は下記に明らかになろう。
【００１３】
本発明の特徴のうちの１つは、超音波発生源は板と直角を成して接触して配置され、板に対して直角を成す方向に超音波エネルギーを伝達するという点である。本願発明者らは試験し、本発明において、チャネルの寸法並びに板及び超音波伝送器の特性の結果として、定在波が発生してチャネルの１つの側壁から同じチャネルの対向する側壁まで到達することを立証した。上述の配置であれば、前記チャネルの底部壁から最上部壁まで到達し最初のエネルギーフローの方向に持続する定在波（のみ）が発生するだろうと通常予想されると思われる。
【００１４】
本願発明者らはまた、この概念の大きな重要性を認識した。本発明によれば、超音波発生源は今や、チャネルが存在する平面または層の一部である必要はないので、空間はより多くのチャネルを限定された空間に実装するために利用でき、高容量粒子分離を提供する多数の並列チャネルを有する装置を製造する可能性を大きく向上させる。下記にさらに説明するように、高度の粒子分離がまた分離ユニットの直列配置によっても容易に提供されることが可能である。超音波を使用した流体の高収率並列及び直列処理の能力は従って、本発明の概念の中心部分及び結果である。
【００１５】
上記の点が可能なのは、チャネル及び分岐点は、材料の１個の部片または一緒になって密接に結合した材料の数個の部片を含む板内に形成されるからである。特別な反射体またはその他同様なものは使用しない。また１を超える超音波発生源を使用することも可能かもしれない。薄い分割体を、層流を分離するように分岐点の後に配置し、それによって本装置の有効性を高める。本装置は好ましくは、微細で正確な寸法が可能であることによって恩恵を受けるシリコン技術を使用して製造され、超音波エネルギーは、好ましくは圧電要素によって送達される可能性があり、圧電要素は、特定の形状、周波数及び出力を有する電気エネルギーを送達することができる制御ユニットによって駆動されることが可能である。
【００１６】
本発明を添付の請求項１において定義し、好適な具体例を従属クレームにおいて説明する。
本発明を、添付図面に関連して下記に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１、２、及び８を参照すると、本発明の１具体例は、基部ステム１１０並びに左アーム１２０、右アーム１３０及び中央アーム１４０を有する一体化チャネル系を有する板５１、８５１を含む。基部ステムの壁８１０、８２０は板５１に対して本質的に直角を成し、互いに及び流れに平行であるかまたはほぼ平行であり、これはチャネルの深さ及び長さ全体に沿ってチャネルを横切る定在波を設定するための必要条件である。下記を参照されたい。
【００１８】
板５１の裏面に、超音波エネルギーを板に送達するための手段を圧電要素１５０、８５３の形態で配置する。本装置は次の通り機能しよう。
懸濁粒子を有する流体は入口１６０から基部ステム１１０に入り、配列された圧力勾配が理由となって分岐点１７５に向かって流れよう。この勾配は、例えば吸引ポンプ、圧力ポンプ、シリンジまたは重力によって作り出すことが可能である。超音波の周波数を制御し、基部ステム１１０、特に該ステム１１０の幅１８５の寸法に適した特定の周波数の使用することによって、前記ステム１１０内部の流体中に定常波パターンを形成する。特に、基部ステム１１０の左側壁８１０と右側壁８２０との間に、流れの方向と直交する定常波パターンが形成されよう。圧力の節は壁におけるよりもチャネルの中央部分において多数形成されようし、壁においては圧力の腹が形成されよう。前記流れの間中、周囲の流体と比較して、粒子の単数の密度／複数の密度／音響インピーダンスに依存して、流体中の粒子は、前記定常波パターンの節においてまたは節に関連して特定の層において蓄積する傾向がある。前記周囲の流体よりも高い密度を有する粒子は、節において蓄積する傾向があるが、前記周囲の流体よりも低い密度を有する粒子は、腹において蓄積する傾向がある。以下に検討する流体の層は、基部ステム１１０の側壁８１０、８２０に平行な層である。
【００１９】
粒子の密度／音響インピーダンス、サイズ及び重量に依存して、粒子の蓄積の特定のパターンが形成されよう。これは、特定の重量及び／またはサイズを有する粒子を、様々な密度／音響インピーダンスを有するある範囲の粒子を含む媒質から分離して取り出す場合に、利益となる。一般に、周囲の流体の密度よりも高い密度を有する粒子は節において蓄積し、粒子を有しない流体よりも低い密度を有する粒子は腹において蓄積する。図１、６または８に示すように、２つの側方分岐またはアーム及び１つの中央分岐またはアーム１４０を有する分岐フォークを提供することで、前記粒子を分離して取り出すことが可能である。分岐点後のアームまたはチャネルを、好ましくは、波長、すなわち、波長の約３／８の中心−中心間距離に適合させた間隔をあけて配置する。
【００２０】
共鳴条件に依存して（図７を与える）、上記の点の様々な結果が得られよう。単一節条件の場合、上記の点の結果は、基部ステム１１０の壁付近の流体の層は、流体が該ステム１１０に沿って分岐点１７５に向かって流れるにつれて濃度の減少する高密度粒子を含もうということである。前記分岐点１７５において、ステム１１０内の流体流れの中央部分から主として発する流体は、層流が理由となって、直進して移動を続け、中央アーム１４０に入ろう。ステム１１０の壁付近に現れる流体流れから発する流体は、（左の壁から）左アーム１２０へ及び（右の壁から）右アームへとそれよう。低濃度の高密度粒子を含む流体のフラクションを次に、左出口１７０及び右出口１８０で捕集することができる。高濃度の高密度粒子を含む流体のフラクションを、最上部出口１９０で捕集することができる。図９に、いかにして、多数の高密度粒子（周囲の流体よりも高い密度）が、中央出口９１を有する中央区域またはチャネルにおいて蓄積するが、低濃度または濃度ゼロの前記粒子を有する流体は、横方向区域及び出口９２から流出するかを示す。比較として、図１０は、出口１０２を備えた２つの横方向区域で粒子を捕集することができるように、２節定在波パターンを使用して粒子を移動させる１様式を示す。低濃度または濃度ゼロの前記粒子を有する流体は、中央区域及び出口１０１から流出する。同様の効果をまた５つの区域またはチャネルを使用して実現させることも可能であり、ここでは、最も横方向のチャネル及び中央チャネルは、低濃度または濃度ゼロの高密度粒子を有する流体を捕集し、他の２つのチャネルは、高濃度の前記粒子を有する流体を捕集し、すなわち下記に述べるｎ＝３である。
【００２１】
定在波場を作り出す超音波の周波数を制御することによって、基部ステム１１０の側壁同士の間に定在波を発生させることが可能であり、定在波の長さは０.５、１．５、２．５波長等、すなわち、ｎ×０.５波長、ｎ＝１、３、５、７．．．である（図７を参照されたい）。粒子を節及び腹の中へと分離する本発明の能力を利用する本発明による装置は、従って分岐点の後に定在波場内の節の数プラス腹の数に対応して多数のチャネルを有することが可能である。例えば、基部ステム１１０を横切って０.５、１、５及び２.５波長を有する周波数は、それに対応して３つ、５つ及び７つのチャネルを有することが可能である。
【００２２】
本発明の好適な具体例は従って、超音波発生手段の周波数を制御するための手段を含む。図８に、いかにして、制御ユニット８６３（異なる縮尺で示す）は圧電要素８５３と接続できるかを示す。前記制御ユニット８６３は、電気エネルギーを前記要素８５３に送達することができる。前記電気エネルギーは、波形、周波数及び出力に関して制御可能であり、ここで、前記波形は、正弦波、三角波または方形波のうちの１つであるがこれらに限定されるものではないものとなるように制御可能である。
【００２３】
本発明の他の具体例は、材料の同じ部片の表面に一体化され、流体の層流を分割するという全体的な目的を有する様々な形状の二また及び“三つまた”を含む。
図６に、別の具体例の詳細を示し、ここで、分岐点は、薄い分割壁によって分割される３つの並列アーム６１０、６２０、６３０へと直接に移行する基部ステム１１０の分岐を含む。下記に説明する手法を使用することで、下限１μmまで及びさらに小さい厚さを有するこうした薄い壁を配置することが可能である。薄い壁は、全チャネル幅にわたる層流プロフィルをより良好に保持することが理由となって、より良好な性能を与えよう。
【００２４】
図１４は、左アーム１４３と中央アーム１４４との間の左分岐角α１及び該中央アーム１４４と右アーム１４５との間の右分岐角α２を有する具体例を示す。角度α１及びα２を変化させることで、例えば粒子濃度の程度のような特定のファクターを最適化することが可能である。しかしながら、特定の角度は、特定の製造プロセスを用いて製造することが困難なことがある。０〜９０度の間の角度は、流れを分離する良好な能力を示す。
【００２５】
本装置を下から示す図３に、図１の入口１６０及び出口１７０、１８０、１９０との連結３１〜３４を示す。明瞭にするために、圧電要素は図示しない。
図４に、本装置を側面から示す。本装置は好ましくは２つの層を備え、これは、シリコンで製造されておりチャネル系を含む１つの層５１、及び、ガラスで製造されておりプロセスを目視検査することを可能にする１つのシール層５２である。シールガラス層は、周知の手法を用いて基部層５１と結合することが可能である。圧電要素５３は、基部層５１と音響的に接触して配置される。
【００２６】
図５、１１、１２、及び１３に、繰り返し構造を逐次または直列使用することで特定の効果を実現することができる配置を示す。例えば、高低密度粒子及び低密度粒子を、図５の配置を使用して分離することができる。（高密度及び低密度は、単に、周囲の流体と比較した密度を示す）。ここでは、流体は主入口６０から入る。１節共鳴条件が存在する場合、高濃度の高密度粒子を有する流体は、出口６１で蓄積しよう。低濃度の高密度粒子を有する流体は、高濃度の低密度粒子と一緒になって出口６２で蓄積し、中間濃度の高密度粒子を有する流体は、出口６３で蓄積しよう。圧電要素６５は、一般的な支持構造物と音響的に接触して配置され、適切な寸法を有するチャネル、すなわちチャネル部分６６及び６８中に定在波場を生じる。流体損失を補償するために、入口６９は、粒子を有しない純粋な流体を加えることに対処したものである。入口はまた、系の清浄化のために使用することが可能である。
【００２７】
図５、１１、１２、及び１３に従う単一または直列構造の並列配置は、容易に実現することができる。本発明の具体例によるチャネル系を、例えば繰り返してかつ相互連結して配置して、板の面積を満たすことが可能であり、この板は、例えば、シリコンウェーハまたは例えばプラスチックスのような他の材料の他のエリアシート若しくはディスクを含むことができる。並列配置は、容量を増大させよう。すなわち時間間隔当りにより多くの流体体積を処理できる。
【００２８】
図１１は、１節３段直列洗浄器を概略で示す。保存するために考察の対象となっている粒子（例えば赤血球）を有する汚染された流体は、入口１１１から入る。低濃度または濃度ゼロの粒子を有する汚染された流体は、出口１１２から出る。粒子は流れ続け、清浄な流体を粒子に加える入口１１３を通過し、若干依然として残存している汚染物はより希釈されよう。分離は第２段において繰り返され、ここで、低濃度または濃度ゼロの粒子を有する汚染された流体は、出口１１４から出よう。粒子は流れ続け、清浄な流体を粒子に加える入口１１５を通過し、依然として若干汚染物が残存する場合、こうしたものはさらに希釈されよう。次に分離は第３段において繰り返され、今や非常に清浄な流体中に懸濁した粒子は出口１１７から出よう。
【００２９】
図１２は、１節３段直列濃縮器を概略で示す。保存するために考察の対象となっている粒子（例えば赤血球）を有する汚染された流体は、入口１２１から入る。粒子は、出口１２２、１２４及び１２８で濃縮される。汚染された流体は、出口１２６で除去される。
【００３０】
図１３は、１節４段の一体化された洗浄器及び濃縮器を概略で示す。保存するために考察の対象となっている粒子（例えば赤血球）を有する汚染された流体は、入口１３１から入る。低濃度または濃度ゼロの前記粒子を有する汚染された流体は、出口１３２から出る。清浄な流体を入口１３４で加える。第２段において、低濃度または濃度ゼロの粒子を有する（より少なく）汚染された流体は、出口１３３から出る。清浄な流体を入口１３６で加える。第３段及び第４段において粒子は濃縮され、出口１３７及び１３８を通って除去される。過剰な流体は出口１３９を通って除去される。
【００３１】
ここから図１に戻ると、基部ステム１１０及び分岐点を含むチャネル系は、好ましくは図４の均質の材料の単一の部片５１の表面に一体化される。これは、多数のチャネル系を繰り返すための容易さという利益を伴い、それによって本発明を利用する分離装置の容量を容易に増大させる。
【００３２】
好適な具体例は、単一の基板を用いて一体化されるかまたは一連の共存できるプロセスによって基板表面に置かれるチャネル系を有する具体例を含む。
本発明による装置を、例えばシリコン中に製造することができる。基部ステムの壁（８１０、８２０）が、板に対して本質的に直角を成し、互いに平行であるかまたはほぼ平行であるようにするための要件は、＜１１０＞結晶構造のシリコン及び周知のエッチング手法を使用することで容易に満たされる。説明する所望のチャネル壁構造はまた、深い反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）によって実現できる。
【００３３】
また、例えばシリコンの母型を使用することで、プラスチック材料中に層を形成することが可能である。多くのプラスチックスは、良好な化学的性質を有する。周知の技術によってシリコン層構造を作製できる。異方性エッチングまたはプラズマエッチング手法によってチャネル及びキャビティを作製できる。ＳｉＯ２層を形成することによる酸化膜層によって、シリコン層をエッチングから保護できる。リソグラフィ技術によってＳｉＯ２層中にパターンを配置できる。また、シリコンにドープし、ｐ．ｎ．エッチストップまたは他のエッチストップ手法を使用することで、エッチングを選択的に停止できる。全てのこうしたプロセス工程は従来技術において周知なので、本明細書において詳細には説明しない。
【００３４】
上記に説明した技術はまた、例えばプラスチック中に本発明の装置を成形または注型するための母型または金型の作製に適している。
機械振動を提供する圧電要素は、好ましくはいわゆる多層タイプのものであるが、適切な寸法を有するバイモルフ圧電セラミック要素並びに任意の他の種類の超音波発生要素もまた使用できる。
【００３５】
本発明の具体例について評価された用途は、外科手術の最中に患者の血液を清浄化する分野に存在する。この分野における目的は、赤血球を汚染された血漿から選び出すことである。汚染は、気泡、脂肪粒子、コアグレーション生成物及び他の望ましくない生物学的材料を含む可能性がある。赤血球は、その後患者の循環に戻されよう。遠心分離の形態の従来技術の場合の１不利益は、赤血球が変形し得る点であり、これは本発明による装置の場合には存在しない不利益である。
【００３６】
用途に依存して、チャネルの形状及び寸法、ステム１１０及びアーム１２０、１３０、１４０の長さ、並びに超音波の周波数は変化することがある。外科手術の最中に患者から回収した希釈された血液から赤血球を分離して取り出すための用途においては、１節定在波の超音波場の場合には、チャネルは好ましくは断面が長方形であり、チャネルのステム部分は幅７００μmを有する。より多くの節を有する定在波の超音波場の場合には、より広い幅が適切であろう。
【００３７】
チャネルの幅の機械的公差は重要である。差は、好ましくは、関係する材料／流体中で使用される周波数の波長の半分の数％未満とすべきである。
図１５は、８つのチャネルユニット１５０１〜１５０８を備える分離ユニットを示し、このユニットは、１つの入口１５１２及び８つの出口１５２１〜１５２８を有する分配キャビティ１５１０から流体を供給される。各チャネルユニット１５０１〜１５０８は、３つの出口、すなわち１つの中央出口１５４１及び２つの横方向出口を備える。該横方向出口は、分離ユニット１５００の２つの最も横方向の出口以外は２つ１組になって連結し、９つの中間出口１５３１〜１５３９を形成する。該中間出口は、高速捕集キャビティ（図示せず）かまたは第１の捕集マニホルド（図示せず）と連結する。中央出口１５４１〜１５４８は、第２の捕集キャビティかまたは第２の捕集マニホルド（いずれも図示せず）と連結する。
【００３８】
図１６は、図１５の分離ユニット１５００を斜視図で示す。分離ユニット１５００が形成される板１６０２は、超音波発生源１６２０、好ましくは圧電要素１６２０及び支持構造物１６１２の上に配置される。入口管１６１０を、分配キャビティ入口１５４２と連結して、外部管類と連結可能な流体のための入口を提供する。
【００３９】
第１の出口管１６３１は、９つの中間出口１５３１〜１５３９から第１の捕集マニホルドを経て前記第１の出口管１６３１の自由端１６４１に至る連結を提供している。第２の出口管１６３２は、８つの中央出口１５４１〜１５４８から第２の捕集マニホルドを経て前記第２の出口管１６３２の自由端１６４２に至る連結を提供している。
【００４０】
図１７は、流体からの粒子分離を増大させるように考案された、２つのチャネルユニットの板１７０１内での直列配置を示す。中央分岐１７１２を有する第１のチャネルユニット１７１０を板１７０２内に形成し、分岐は第２のチャネルユニット１７２０の基部チャネル１７２１と連結する。各チャネルユニットは、各チャネルユニットの基部チャネル部分のほぼの下の位置で板１７０１の下に配置され長方形１７１６、１７２６によって示される圧電要素から超音波エネルギーを提供される。
【００４１】
図１８は、それぞれ黒色及び白色として示す２つのタイプの粒子を含む流体を分離するために使用するチャネルユニット１８００を示す。
流体が矢印１８０４の方向に流れると、超音波の定在波は、チャネルユニット中の粒子を３つの流体層１８０１〜１８０３の中へと分離する。超音波発生源の位置を長方形１８１０によって示す。
【００４２】
２つのタイプの粒子を分離するための説明するプロセスは、血液成分、すなわち赤血球及び白血球並びに血小板（赤血球、白血球及び栓球）（また血液有形成分と呼ぶ）を互いに分離する医療技術の分野内の必要に対する解決法を示す。
【００４３】
この分野における周知の技術は、主としてまたはもっぱら遠心分離に基づく解決法を含む。不利益は、血液有形成分の完全な分離を得ることが非常に困難であり、その代わりにいわゆる“バッフィーコート”が得られるという点である。このバッフィーコートは、高濃度の栓球、白血球及び低濃度の赤血球を含む。これに関連して、鋭敏な栓球が遠心分離され、高い重力にさらされており、このことは恐らく前記赤血球内部の機能の低下をもたらしていることを心に留めておくべきである。
【００４４】
本発明の具体例を使用して、栓球及び白血球を赤血球から分離することができ、というのはこれらは、表１で分かるように異なる密度を有するからである。血液は、血漿及び血液有形成分からなる。
【００４５】
【表１】
2004535912.tif 000003
相対密度．出典：ガイギーの科学表（Geigy Scientific Table）
【００４６】
他の解決法が可能であり、これは例えばヨウ素制御剤（iodine control agent）である。
表１で分かるように、異なる成分は異なる密度を有する。密度の変動は、表の記載の場合には非常に小さい。通常の血液を分離すると、チャネルユニットは全ての血液有形成分を同じように分離しよう。というのはこれらの密度はこれらが懸濁している媒質、すなわち血漿よりも高いからである。
【００４７】
他の具体例として、媒質を修正し（すなわち血漿を修正し）、それによってその密度を変更し、様々な血液細胞を分離する可能性を与える。これは、ある量のより高密度の液体を血漿に加え、それによって血漿をより低濃度に希釈するが、より高密度にすることで実現される。
【実施例】
【００４８】
ヘマトクリット４０％を有する１００mlの血液を採取する。これによって、血液の６０％（＝６０ml）が血漿であることになる。血漿は、密度１.０２６９を有する。式：
【００４９】
【数１】
2004535912.tif 000004
［式中、ｖ１は第１の流体の体積であり；
ｄ１は第１の流体の密度であり；
ｖ２は第２の流体の体積であり；
ｄ２は第２の流体の密度であり；
ｄｔｏｔは混合物の密度である。］
に従って、本願発明者らが得た３０mlの５０％グルコース溶液を加えることで、混合媒質の密度は１.０７４６になる。
【００５０】
この混合物が具体例中に入ると、栓球及び赤血球が別々の分岐に指向されるような分離が実現し、というのは今や栓球は媒質よりも軽いからである。
これはもちろん単なる１例である。また、白血球は赤血球及び栓球のうちの１つとは異なる比重量を有するので、白血球を分離して取り出すことが可能である。またこの方法を用いて、細菌及びウイルスを分離して取り出すことが可能なはずである。この方法は、溶液の密度を操作することが不可能かまたはさもなければ不適切な溶液以外の全ての溶液に使用できる。また細菌及び幹細胞をその培養物から分離して取り出し、適切な溶液中に懸濁させることが可能である。
【００５１】
図１９及び図２０は、３つの入口Ａ、Ｂ、Ａ及び３つの出口Ｃ、Ｄ、Ｃを有するチャネルユニットを示す。第１の流体を両方の入口Ａからチャネルユニットに供給し、第２の流体を入口Ｂに供給する。この微小な規模では、流体はブレンドしないだろう。
【００５２】
図２０は、いかにして、入口Ａから入る流体の粒子が超音波の定在波場によって強制されて入口Ｂから入る流体にまで移動するかを示す。このタイプの“分離”は、目的が、例えばプラスマフェレーシスにおけるように、及び、汚染された血漿（Ａ）中の血液細胞が清浄な溶液（Ｂ）に移動し、最終的には清浄な媒質中の血液細胞が生成する（Ｄ）ような血液洗浄用途におけるように、血液有形成分を保持し、血漿を破棄することである場合、特に有用である。廃棄血漿（Ｃ）は破棄される。この方法は、非常に少量の洗浄物質を必要とする非常に効果的な血液洗浄を可能にしよう。
【００５３】
図２１及び２２は、チャネルユニットの放射状配置を示し、該配置は、板の基部材料が円板またはその他同様なものである場合に、特に有利である。
当業者であれば、本発明による装置の構造が、製造の容易さ並びにろ過及び遠心分離プロセスにおいて分解しがちな粒子を分離するという課題を解決することを含む幾つかの利益を有することは了解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】十字形チャネル系の配置の平面図を示す。
【図２】図１の物体の斜視図を示す。
【図３】図１の物体の底面図を示す。
【図４】図１の物体の側面図を示す。
【図５】繰り返し配置の平面図を示す。
【図６】並列配置分岐点の詳細平面図を示す。
【図７】２つの壁の間の空間における定在波を示す。
【図８】本装置の断面図を示す。
【図９】１節定在波を使用した分離を概略で示す。
【図１０】２節定在波を使用した分離を概略で示す。
【図１１】１節３段直列洗浄を概略で示す。
【図１２】１節３段濃縮器を概略で示す。
【図１３】１節４段一体化洗浄濃縮器を概略で示す。
【図１４】分岐角に名前を付けた具体例の平面図を示す。
【図１５】８つのチャネルユニットの並列配置を示す。
【図１６】図１５の並列配置を斜視図で示す。
【図１７】２つのチャネルユニットの直列配置を概略で示す。
【図１８】異なる密度を有する２つの異なる種類の粒子の分離を示す。
【図１９】入口及び出口を有するチャネルユニットを示す。
【図２０】粒子を含む図１９のチャネルユニットを示す。
【図２１】チャネルユニットの放射状配置を概略で示す。
【図２２】図２１の具体例を斜視図で示す。
【図１１】
2004535912.tif 000005
【図１２】
2004535912.tif 000006
【図１３】
2004535912.tif 000007
【国際公開パンフレット】
2004535912.tif 000008
2004535912.tif 000009
2004535912.tif 000010
2004535912.tif 000011
2004535912.tif 000012
2004535912.tif 000013
2004535912.tif 000014
2004535912.tif 000015
2004535912.tif 000016
2004535912.tif 000017
2004535912.tif 000018
2004535912.tif 000019
2004535912.tif 000020
2004535912.tif 000021
2004535912.tif 000022
2004535912.tif 000023
2004535912.tif 000024
2004535912.tif 000025
2004535912.tif 000026
2004535912.tif 000027
2004535912.tif 000028
2004535912.tif 000029
2004535912.tif 000030
2004535912.tif 000031
2004535912.tif 000032
2004535912.tif 000033
2004535912.tif 000034
2004535912.tif 000035
2004535912.tif 000036
2004535912.tif 000037
2004535912.tif 000038
2004535912.tif 000039
2004535912.tif 000040
2004535912.tif 000041
2004535912.tif 000042
2004535912.tif 000043
2004535912.tif 000044
2004535912.tif 000045
2004535912.tif 000046
2004535912.tif 000047
2004535912.tif 000048
【国際調査報告】
2004535912.tif 000049
2004535912.tif 000050
2004535912.tif 000051