离心分离机和离心分离方法

专利名称：离心分离机和离心分离方法
技术领域：
本发明涉及一种离心分离机和离心分离方法，所述方法使用在旋转期 间离心力根据流体的特定成分而变化的原理，通过调节旋转速度来分离被 施加较大离心力的流体与净皮施加较小离心力的流体。因此，通过使用离心 分离机和离心分离方法，材料可经离心分离并可准确且容易地分类和收集 材料层。
背景技术：
根据本发明的离心分离机和离心方法可应用于可在针对重力的方向倾 斜的表面上的向下方向上移动的任何材料，例如液体、粉末、凝胶、液体 与固体的混合物、胶体、具有接近球体的形状的固体等。
离心分离机是用于使用当物体旋转时产生的离心力来分离材料的设 备。离心分离机可根据待离心分离的样本量、旋转速度、转子等来分类。
生物技术中使用离心分离机来分离混合在液体的细胞或具有大于液体
的重量和粘合力的材料。目前，已对成人干(stem)细胞进行大量研究，且 当前正在研究从大量成人组织(月旨肪、骨髓等)分离少量干细胞的离心方法。
因为需要生物技术中所便用的离心分离机来分离人体细胞而不将其破 坏，所以与分离一般材料相比，使用较小的离心力来分离人体细胞。将细 胞离心分离所需的离心力最大是IOO G，且通常低于此值。这里，G表示重 力常数(gravitational constant)。由于在离心分离机中离心力是作为重 力而施加，因此将使用单位G来表示离心力。
当在生物技术实验室中使用离心分离机来离心分离例如血液的复合流 体(complex fluid)时，根据复合流体的每一元素的比重(specific gravity)
将流体划分为若干层。这里，复合流体指包含例如精细固体成分或凝胶的 半固体且具有比聚合物宽的范围的液体，下文中其将称为"流体"。 技术问题
当使用离心分离机来分离细胞时，流体的每一离心分离层堆叠在试管 中且可在^见觉上进行区别，然而难以在物理上分离所述层。通过离心分离 机进行离心分离的流体层通常用手分离。然而，分离经离心分离的流体的 层是繁重的任务，而且，可能引起经离心分离材料的损失，且因此无法保 证所分离材料的纯度。
细胞正上方的上层的液体大部分由水组成，且当试管緩慢倾斜以从管倾倒出液体时，底层中的细胞连同上层一起流动，且因此通过离心分离机 而离心分离的细胞可能被带走。
没有离心力的情况下，细胞之间的粘着或粘合力并不明显不同于水的 粘着或粘合力，且因此从管倾倒出液体超过50。/。都会失败。即使当倾倒成功，顶 层中的一些细胞也可能被带走。如果增加离心力以使细胞彼此粘附，那么 可能破坏细胞。
因此，测试者提出使用吸液管(pipette)以使用吸液管来移除上层。然 而，待移除液体的一部分仍保留在管中，且因此需要执行至少七个或八个 稀释过程。
举例来说，当从脂肪组织(f a t tissues)来分离干纟田月包时,4丸^亍j吏用例 如胶原质的溶剂溶解大量组织来分类最少量干细胞并清洗经离心分离的材 料。清洗所分离的材料以用于移除不必要的医学元素(medical elements) 和材料中包含的其它元素，以在人体中再次使用所分离的材料。然而，清 洗需要大量时间且可能破坏干细胞。换句话说，在清洗过程中，操作经离 心分离的材料若干次，且因此干细胞暴露于空气的时间延长，借此增加污 染干细胞的风险
发明内容
技术解决方案
本发明提供一种离心分离机和离心分离方法，其中准确地分离且可容 易地收集通过离心力而分离的材料和经离心分离的材料的层。
本发明还提供一种离心分离机和离心分离方法，其中从通过离心分离 机离心分离的材料的层准确蜂分类和收集干细胞。
根据本发明的一方面，S:供一种离心分离方法和离心分离机，其使用 在旋转期间离心力根据流体的特定成分而变化的原理通过调节旋转速度来 分离被施加较大离心力的流体与被施加较小离心力的流体。
根据本发明的离心分离机和离心分离方法用于离心分离复合流体(包 含例如精细固体成分或凝胶的半固体且具有比聚合物宽的范围的液体，下 文中其将称为"流体，，)，例如从人体提取的血液、脂肪和类似物。详细来
说，根据本发明，可离心分离在例如从人体提取的脂肪的复合流体中少量 包含的干细胞，且通过离心力的操作而移动的干细胞积聚在以可拆卸方式 安装的容器中，且因此可在不用任何额外分离过程或清洗过程的情况下准 确地且容易地收集干细胞。
根据本发明实施例的离心分离机和离心分离方法可应用于可从倾斜表 面向下移动的所有种类的材料，所述倾斜表面相对于重力，即相对于液体 和固体(例如液体、粉末、凝胶、液体与固体的混合物、胶体、接近球形的固体)形成倾斜。
根据本发明的一方面，提供一种离心分离机，其包括旋转器，其包
括接纳单元和旋转器盖，所述接纳单元接纳材料并通过离心力来引导所述 材料向上移动到所述接纳单元的上部，所述旋转器盖覆盖所述接纳单元的
所述上部；以及容器，其耦合到所述旋转器盖以连接到所述接纳单元且接 纳沿着所述接纳单元向上移动的所述材料。
所述接纳单元可包括垂直引导部，所述垂直？ 1导部的水平横截面向下 变小，使得接纳在所述接纳单元中的所述材料通过离心力而向上流动。
所述接纳单元可进一步包括从所述垂直引导部的上端向上倾斜并延伸 到外部的水平引导部，且所述水平引导部包括至少一个会聚部，在所述会 聚部处所述离心力最大，使得从所述垂直？ 1导部向上移动的所述材料通过 离心力而沿着所述水平引导郜的内壁移动并会聚到所述会聚部中。
通过使用包含具有向上增加的橫截面的接纳单元的根据本发明的离心 分离机，材料通过离心力而从接纳单元的底部向上流动。经分开的层经布 置以使得被施加较大离心力的层堆叠在容器的外部位置中。
当在完成层的分开之后以减小的旋转速度继续旋转时，施加于每一层 的重力和离心力根据每一经分开层的流体动力学特性而变化。被施加相对 较大重力的一些层向下流动到接纳单元的底部，且被施加相对较大离心力 的一些层保持在容器中。
因此本发明提供一种离心分离机和使用离心分离机的离心分离方法，其 可基于例如从人体提取的脂肪组织的复合流体中的干细胞的特性而在离心 分离机中准确地分离和收集干细胞的层而不用任何额外的分离或清洗过 程，所述干细胞与脂肪组织流体中含有的其它元素相比具有较大的流体阻 力且在相同旋转速度下比其它材料受到相对较大离心力的影响。
所述水平51导部的水平横截面可由耦合在一起而向外弯曲的两个弧形成。
所述垂直引导部可由倒圓锥形状形成。 所述垂直引导部的所述内壁可向内弯曲。
所述接纳单元的表面可经涂覆以减小抵制所述材料流动的表面阻力。 所述旋转器盖可包括连接到所述接纳单元并向所述旋转器盖的上部开 放的制动器部(stopper portion),且所述容器可以可旋转地耦合到所述制 动器部，且所述容器可在其中所述容器的开口面朝向所述制动器部且连接 到所述接纳单元的耦合状态与其中所述容器的所述开口从所述制动器部脱 离的释放状态之间旋转。
所述制动器部可经安置以对应于所述水平？ 1导部的所述会聚部。 所述制动器部可支撑所述容器以使得所述容器的中心轴相对于所述旋转器的旋转轴的角度维持为大于90度且小于180度。
所述制动器部可包括支撑部，所述支撑部通过向所述容器施加磁力而 将所述容器支撑在耦合状态。在所述旋转器的减小的旋转速度下在所述经 离心分离的材料的一部分已向下流动到所述接纳单元之后，所述容器可通 过所述支撑部施加相反的磁力或释放磁力而转换为释放状态，且所述容器 可通过重力和离心力而向下旋转，使得所述容器的所述中心轴相对于所述 旋转器的所述旋转轴的角度小于90度。
耦合件和将耦合到所述耦合件并将所述容器支撑在所述耦合状态的由 外部信号操作的锁定装置可安装在所述制动器部与所述容器之间。在所述 旋转器的减小的旋转速度下在所述经离心分离的材料的 一部分已向下流动 到所述接纳单元之后，所述容器可通过释放所述锁定装置与所述耦合件的 耦合而转换为所述释放状态，且所述容器可通过重力和离心力而向下旋转，使 得所述容器的所述中心轴相对于所述旋转器的所述旋转轴的角度可小于90 度。
所述容器可通过安置在所述容器与所述制动器部之间的枢转轴而可旋 转地耦合到所述制动器部，且所述枢转轴由通过外部信号操作的有力的驱 动单元来驱动。
所述离心分离机可进一 步包括包围所述旋转器的壳体，且第 一磁性主 体安装在所述壳体中，且第二磁性主体安装在所述旋转器的外部中，且在 所述旋转器旋转时，所述旋转器和所述壳体通过所述第一磁性主体与所述 第二磁性主体之间的排斥力而维持在彼此相距预定距离。
所述离心分离机可进一步包括壳体盖，其耦合到所述壳体以覆盖所 述旋转器的上部；以及流入管，其从外部通过所述壳体盖和所述旋转器盖 且插入至所述旋转器的所述接纳单元中，且将接纳在所述接纳单元中的所 述材料排放到外部或将外部材料注入所述接纳单元中。
根据本发明的离心分离机以离心分离所需的最大速度旋转，即以第一 速度旋转预定时期以将材料离心分离为经分开的层，且随后减慢到小于第 一速度的第二速度并再次旋转预定时期。第二速度由待离心分离的材料的 特性确定，且尤其由流体阻力确定。当旋转器以减小的旋转速度(即，以第 二速度)连续旋转时，形成于容器中和旋转器的接纳单元上的某些经分开层 受到大于重力的离心力的影响，且因此保持在容器内，然而，其它经分开 的层可在小于重力的离心力的影响下向下流动到接纳单元的底部。如上所 述，根据本发明，根据待离心分离的经分开的层来调节第二速度，以确定 某些经分开的层可向下流动到接纳单元底部所处的临界点。
根据本发明的另 一 方面，提供一种使用旋转器进行离心分离的方法，所 述旋转器包括:接纳单元，其通过离心力来引导材料向上移动；旋转器盖，其覆盖所述接纳单元的上部；^及容器，其可拆卸地耦合到所述旋转器盖且 连接到所述接纳单元，所述方法包括(a)向所述接纳单元供应材料；(b)通 过以第 一速度旋转所述旋转器来离心分离所述材料，使得所述材料移动到 所述接纳单元的上部并流入所述容器中；(c)将所述旋转器的旋转速度减小 到小于所述第 一速度的第二速度，使得某些所述经离心分离的材料层向下 流动到所述接纳单元中；(d)从所述旋转器盖去耦(de-couple)所述容器，使 得将所述容器的开口指向上；以及(e)停止所述旋转器。
操作(c)可进一步包括在所述旋转器的旋转速度减小到所述第二速度 之后使用通过所述旋转器盖且连接到所述旋转器的所述接纳单元中的流入 管来排放接纳在所述接纳单元中的所述材料。
所述方法可进一步包括在排放接纳在所述接纳单元中的所述材料之后 通过所述流入管将清洗溶液注入所述接纳单元中，并重复(b)和(c)。
所述第二速度可设定为产生离心力的速度，所述离心力有助于将由离 心分离机分开的最外层附接到所述容器，并通过重力使其它层向下流动到 所述接纳单元。
所述第二速度可经设定而使得1到80 G的离心力施加于所述材料。 有利效果
如上所述，根据离心分离机和离心分离方法，可离心分离材料且可准 确且容易地分类和收集经离心分离的材料的层。
而且，在根据本发明的离心分离机和离心分离方法中，干细胞在离心 力的作用下从离心分离机的内部向上移动并收集在容器中，且因此可准确 地分类和收集干细胞而不用额外的分类或清洗过程。


图1是说明根据本发明一实施例的离心分离机的立体图。 图2是说明根据本发明一实施例的图1的离心分离机的上部的部分立 体图。
图3是根据本发明一实施例的说明图1的离心分离机的侧部横截面图。 图4是根据本发明一实施例的说明图1的离心分离机的旋转器的立体图。
图5是根据本发明一实施例的说明图4的旋转器的旋转器盖的平面图。 图6是根据本发明一实施例的说明图1所说明的离心分离机的旋转器
中的经离心分离的材料的层的侧部横截面图。
图7是根据本发明一实施例的说明安装在图1的离心分离机中的容器
的部分立体图。
图8是根据本发明一实施例的说明图7中所说明的容器在旋转时的部分立体图。
图9到13是说明才艮据本发明一实施例的图4的离心分离机的水平引导 部的水平横截面的变化的横截面图。
图14是说明当在根据本发明 一 实施例的离心分离机中没有离心力时施
加于材^"的力的示意图。
图15A示意性说明改变为施加较大离心力的状态的图14的力。
图15B示意性说明改变为施加较小离心力的另一状态的图14的力。
图16是说明根据本发明另一实施例的容器的支撑结构的侧视图。
图17是根据本发明一实施例当容器旋转时图16的容器的侧视图。
图18是处于释放状态的图16容器的侧视图。
图19是说明根据本发明另一实施例的容器的支撑结构的立体图。
图20是说明根据本发明一实施例的离心分离方法的流程图。
图21是说明根据本发明另一实施例的离心分离方法的流程图。
具体实施方式
最佳模式
现将参看附图更完全描述本发明，附图中展示本发明的示范性实施例。 图1是说明根据本发明一实施例的离心分离机的立体图，图2是说明图1的离心分离机的上部的部分立体图，且图3是说明图1的离心分离机
的侧部横截面图。
图1到3所说明的离心分离机可通过离心力来分离材料，而且可准确 且容易地从经离心分离的材料来分类和收集部分层，例如可从经离心分离 的材料来分离和收集干细胞。参看图l到图3,根据本发明当前实施例的离 心分离机包含围绕旋转轴0旋转的旋转器10以及耦合到旋转器10的容器 40。
离心分离机的旋转器10将待离心分离的材料接纳在旋转器10内，并 围绕旋转轴0旋转。材料接纳在形成于旋转器10内的接纳单元20中。接 纳单元20通过离心力来引导材料在旋转器10的向上方向上移动。旋转器 10包含覆盖接纳单元20的上部的旋转器盖30。
旋转器盖30耦合到接纳单元20的上部，且在旋转器10旋转时，旋转 器盖30密封该接纳单元20并引导材料的流动。因此，旋转器盖30以对应 于接纳单元20的上部开口的形状形成。旋转器盖30耦合到容器40。容器 40的开口与接纳单元20连接。因此，通过离心力而移动到接纳单元20上 部的材料可流入容器4 0内部中。
在旋转器10的上表面上围绕旋转器盖30安装多个夹子3、夹子35向 旋转器盖30施加向下的压力，且因此将旋转器盖30紧密耦合到旋转器10。接纳在接纳单元2 0中的材料可以是例如从人体提取的血液等液体。当 通过旋转器10的旋转来离心分离流体时，将流体分开为各种层，例如脂
肪、游离油、水、干细胞等，以及从接纳单元20向外移动并流入至容器40 中的干细胞。
离心分离机进一步包含包围旋转器10的壳体50。第一》兹性主体56安 装在壳体50的内表面上，且第二磁性主体26安装在旋转器10的外表面 上。第一磁性主体56是环形的，沿着壳体50的内圆周延伸，且第二磁性 主体26也可是环形的，沿着旋转器10的外圆周延伸。第一磁性主体56和 第二^f兹性主体26^波此面向，且其表面由具有相同^l性的永久石兹体形成，且 因此可在第一磁性主体56与第二磁性主体26之间施加排斥力。
根据第一和第二;兹性主体56和26，即使当旋转器10以高速旋转时，由 于第一和第二磁性主体56和26在其间施加排斥力，因此旋转器10和壳体 50可在其间保持预定距离。因此，旋转器10可连续且稳定旋转而不会晃动。
旋转器10容纳在壳体50中，且壳体盖60耦合到壳体50以覆盖旋转 器10的上部。
流入管61与壳体盖60连接。流入管61通过壳体盖60和旋转器盖 30,且插入到旋转器1Q的内部中。流入管61的端部在接纳单元20中开 放。尽管图中未说明，流入管61形成为类似于望远镜，使得流入管61的 长度可伸长和收缩。流入管61连接到软管62,所述软管62耦合到壳体盖 60的上部。因此，流入管61插入到旋转器10的内部中以便将外部材料注 入到旋转器10内部中或将旋转器10内的材料排放到外部。
在旋转器IO旋转时，不应发生流入管61与旋转器盖30之间的干扰，而 且接纳单元20中的材料不应被排放。因此流入管61可通过安装在形成于 旋转器盖30中心的通孔中的轴承38，并插入到接纳单元20的内部中。而 且，环形密封件(未图示)可安装在形成于旋转器盖30中心的通孔中。
因此，轴承38支撑流入管61以使得在旋转器10的旋转期间流入管61 与旋转器盖30之间不会发生干扰，且另外还密封该接纳单元20。
可使用各种旋转方法旋转该旋转器10。在本发明的当前实施例中，通 过驱动马达51旋转该旋转器10。旋转器10耦合到驱动马达51的驱动轴 52，且因此围绕驱动轴52旋转。
根据本发明的一实施例，图4是说明图1的离心分离机的旋转器的立 体图，图5是说明图4的旋转器10的旋转器盖30的平面图，且图6是说 明图1所说明的离心分离机的旋转器中经离心分离的材料的层的侧部横截 面图。
参看图4到图6,接纳单元20包含垂直引导部21，其具有倒圆锥形状以 使得接纳在接纳单元20中的材料由于离心力而流到接纳单元20的上部。而且，接纳单元20包含水平引导部25，其从垂直引导部21的上端向上倾斜 且向外延伸。
垂直引导部21引导上述材料在旋转器10的旋转期间由于离心力而向 上移动。垂直引导部21具有倒圓锥形状，且因此垂直引导部21的内壁相 对于重力的方向倾斜(下文中，由垂直引导部21的内壁形成的倾斜表面将 称为"重力倾斜表面")。重力倾斜表面在通过旋转器10的旋转而将离心 力施加于材料时向上引导材料的流动。换句话说，当施加于流体的离心力 通过旋转器10的旋转而增加时，流体克服重力且可沿着重力倾斜表面向上 流动。
在本发明的当前实施例中，垂直引导部21的垂直横截面是三角形的且 因此重力倾斜表面通过倒三角形的斜边而形成为平直的。然而，根据本发 明当前实施例的离心分离机的垂直引导部21的侧部不限于此，且可向内或
向外弯曲。
在本发明的当前实施例中，垂直引导部21具有倒圆锥形状。因此，垂 直引导部21的水平横截面是圓形。垂直引导部21形成为圆锥体的原因是 为了防止由于在旋转器10以高速旋转时重量围绕旋转轴很大程度上的左右 不平衡而引起旋转器10的晃动。然而，根据本发明当前实施例的离心分离 机的垂直引导部21的形状不限于圆锥体，而是可为任何形状，只要垂直引 导部21的水平横截面在向下的方向上逐渐变小。
水平引导部25从垂直引导部21向上且向外延伸，且在接纳单元20的 上端处在水平方向上引导材料的流动。水平引导部"可包含位于水平横截 面上离心力最大的一点处的至少一个会聚部27。
当前实施例中的水平引导部25的上端处的水平横截面由耦合在一起的 两个弧形成，每个弧向外凸出。因此，会聚部27形成于水平引导部25上 两个弧汇合的两个末端处。会聚部27定位于在到外侧的方向上距接纳单元 2 0的中心的最远点(在该处两个弧相遇)处，且因此对应于离心力最大的点。
当旋转器IO旋转时，离心力施加于垂直引导部21中的材料上，且因 此材料沿着重力倾斜表面移动到接纳单元20的上部。材料经过垂直引导部 21的上端，且通过离心力沿着水平引导部25的内壁移动并在会聚部27处 汇集。因此，水平引导部25的水平横截面的内倾斜表面在水平方向上引起 材料流动。因此，水平引导部25的内倾斜表面在下文将称为"离心力倾斜 表面24"。
为了最小化当材料移动时由接纳单元20的内壁表面引起的表面阻力，接 纳单元20的表面可涂覆有例如特氟隆的氟树脂。因此，当离心力施加于材 料接纳单元20时，材料由重力倾斜表面和离心力倾斜表面引导，以便容易 地移动到接纳单元20的上部。
12图7是说明安装在图1的离心分离机中的容器40的部分立体图，且图 8是说明根据本发明的实施例容器40在旋转时的部分立体图。
支撑容器40的制动器部31安装在旋转器盖30的上部。制动器部31 安置在对应于旋转器盖30的会聚部27的位置。制动器部31连接到接纳单 元20且包含向旋转器盖30的上部开放的出口 32。因此，当容器40耦合到 制动器部31时，容器40通过制动器部31连接到接纳单元20。
容器40通过枢转轴41而可旋转地耦合到制动器部31。制动器部31支 撑容器40以维持容器40的中心轴P相对于旋转轴0的旋转角(3 ,其在大 于90度且小于180度的范围内'。图3中，为了简明起见，旋转角e被说明 为从旋转轴0的上部到容器40的中心轴P,然而，为了对应于以上描述，基 于参考角0来确定旋转角6，其中容器40的中心轴P在向下方向上平行于 旋转轴0。
容器40可旋转地耦合到制动器部31，且还与制动器部31分离。由于 容器40可与制动器部31分离，因此可简单地通过在离心分离操作完成之 后从旋转器盖30分离容器40来收集千细胞。
当容器40由制动器部31支撑时，容器40的开口 42与制动器部31的 出口 32彼此面向，且因此接纳单元20的材料可流入容器40中。此状态表
示为"耦合状态"。
制动器部31中固定地支撑容器40的支撑部33安装在制动器部31与 容器40之间。支撑部33包括电磁体且向由金属或电磁体形成的固定销43 施加磁力，因此将容器40支撑于耦合状态中。
当支撑部33停止施加磁六对，容器40和旋转器盖30被去耦，容器40由 于容器40的重力而围绕枢转轴41旋转，且移动到指向下的"释放状态"。否 贝'J,支撑部33可施加与由永久磁体形成的固定销43的极性相反的磁力，以 在释放状态中旋转容器。在释放状态中，容器40的开口指向上，且容器40 中的材料无法流出。
下文将描述上述离心分离机的操作。
将待离心分离的材料注入到旋转器10的接纳单元20中。耦合到壳体 50的上部的壳体盖60可打开或闭合，且因此壳体盖60围绕将打开的壳体 50的上部旋转，且旋转器盖30从接纳单元20的上部分离以将从人体提取 的材料注入到接纳单元20中。作为此方法的替代，可使用连接到软管62 的流入管61将材料注入到接纳单元20中。
当将材料注入到接纳单元20中时，在接纳单元20的上部上方盖上旋 转器盖30,且使用夹子35使接纳单元20与旋转器盖30密封并操作夹头。
当离心分离机操作时，容器40应处于耦合状态。容器40相对于旋转 器10而向上旋转，使得容器'40的开口 42面向制动器部31的出口 32，且操作支撑部33。支撑部33向安装在容器40中的固定部43施加磁力，且在 通过旋转该旋转器10来执行离心分离的同时将容器40维持在耦合状态。
当壳体盖60打开或闭合时，安装在壳体盖60中的流入管61的长度可 缩短。流入管61可通过穿过安装在旋转器盖30中心处的轴承38而插入接 纳单元20内部中。流入管61的长度可缩短，使得在壳体盖60打开或闭合 时轴承38与流入管61不会彼此干扰。
在旋转器10旋转时，接纳单元20中的材料不应向上流出。因此，可 在流入管61与轴承38之间安装环形密封件(未图示)。
当操作驱动马达51且因此旋转器10开始旋转时，将离心力施加于接 纳单元20内的材料。在形状上向下闭合且具有重力倾斜表面的垂直引导部 21沿着垂直引导部21来引导材料。在离心力增加时，材料克服重力并移动 到上部。
水平引导部25的离心力々5斜表面24在水平方向上引导材料的流动。因 此，移动到水平引导部25的材料在离心力的作用下由离心力倾斜表面24 来引导并会聚于会聚部27。
参看图6，当旋转器10以执行离心分离的第 一速度(rpm:每分钟转数) 旋转时，将离心力施加于接纳单元20内的材料，且因此材料移动到接纳单 元20的最外部且因此经离心分离。当通过离心分离才艮据比重而将材料分开 为各种层时，由具有较高比重和较大流体阻力的材料形成的层位于远离旋 转轴中心的位置，且由具有较低比重和较小流体阻力的材料形成的层位于 靠近旋转轴中心的位置。这里，流体阻力是指由于粘合力、粘着力、流体
粘度等而难以流动的流体的复合特性。
将接纳单元20内的材料分开为各种层，例如游离油74、脂肪73、水
72、干细胞71等，且具有最高比重的干细胞层n位于接纳单元20和旋转 器盖30的最外边缘处。因此，干细胞层71通过制动器部31的出口 32和 容器40的开口 72而流入容器40中。干细胞层"71在接纳单元20和旋转器 盖30的最外边缘处形成流体层，且受压并由于干细胞层71本身的粘合力 以及离心力而附着到容器40的一端的壁表面。
在执行离心分离之后，可将经离心分离的材料的某些层排放到外部。此 排放操作是通过以下操作来执行的将旋转器10的旋转速度减小到预定的 临界速度的第二速度，在该速度下某些经离心分离的层由于重力而向下流 动且干细胞层71保留在容器40内。举例来说，当干细胞从脂肪组织分离，且 容器40的中心轴相对于旋转器10的旋转轴倾斜的角度是140度时，23G (RCF) 的离心力足以恰好将干细胞保持在容器中并使其它流体流动。因此，这里，可 将第二速度设定为400 rpm。
容器40内除了干细胞层71之外的流体层是具有低比重和流体阻力的材料，例如游离油层74、脂肪，73和水层72,且因此当旋转器10的速度减 小到预定速度时，流体层由于^'力而在旋转器10的接纳单元中向下移动。这 里，将离心力施加于流体层，然而，由于流体阻力较小，离心力和流体阻 力的力小于重力，且因此流体层可在接纳单元20中向下移动。
当待收集的干细胞层71保留在容器40内时，释放支撑部33的操作，使 得容器40的开口 42指向上以释放容器40和旋转器盖30的耦合，且随后 旋转器10停止。当支撑部33停止施加磁力时，容器40由于重力而围绕枢 转轴41旋转，且因此容器40的位置被改变为指向下的释放状态。当容器 40转换为释放状态时，驱动马达51停止且旋转器10停止。
在旋转器10停止之前或之后，可将经释放以向下流动到接纳单元20 的材料排放到外部。在旋转器10停止之后，释放状态中的容器40从离心 分离机脱离。如上所述，干细胞层71置于容器40中，且因此不需要额外 分离或稀释过程来分离干细胞层71，且可容易地收集干细胞。
当容器40内干细胞层71的量过小时，水层72或脂肪层73等可流入 容器40中，然而容器40内这些材料的速率较小，且具有低流体阻力的材 料也随着旋转器10速度减小而向下移动到旋转器10下方。然而，假定将 向下流动到接纳单元20的材料(例如水层72或脂肪层73)可粘合到干细胞 层72且不向下移动，在此情况下，需要用以下方式清洗所述材料。
在清洗材料之前，需要通过流入管61而将移动到旋转器10的下部的 其它流体层排放到外部。随后通过流入管61而将清洗溶液注入到旋转器10 的接纳单元20中。在注入清洗溶液之后，旋转器10以增加的第一速度旋 转，且因此重复上述离心分离过程。当离心分离完成时，旋转器10的速度 减小到第二速度以将水层72或脂肪层73移动到旋转器10的下部。
当将获得的材料(例如，干细胞层71的干细胞)通过上述过程而保留在 容器40内时，容器40和旋转器盖30经去耦以使得容器40的开口 42指向 上，且随后旋转器10停止。在旋转器10停止之前或之后，可将流动到接纳 单元20的材料排放到外部。当完成接纳单元20内的材料的分离之后，在 容器40内收集干细胞层71，且当排放除干细胞层71以外的材料时，释放支 撑部33的操作。当支撑部33停止施加磁力时，容器40由于重力而围绕枢 转轴41旋转且改变为指向下的释放状态。当容器40转换为释放状态时，驱 动马达51停止且旋转器10停止。
当容器40处于指向下的释放状态时，不需要额外的用于分离干细胞的 分离或稀释过程，因为干细胞如上所述包含在容器40内且因此可容易收集。
容器40可以可旋转且可拆卸的方式耦合到旋转器盖30。因此，在完成 离心分离之后，可通过从旋转器盖30拆卸而向下旋转且置于释放状态的容 器40来容易地收集干细胞。图9到图n是说明根辟夺发明一实施例的图4的离心分离机的水平引 导部的水平横截面的变化的4黄截面图。
根据本发明一实施例的图4的水平引导部25的水平横截面由耦合在一 起的两个弧形成。然而，水平横截面的形式不限于此，而是可以是具有会 聚部分的各种形状，例如星形、钻石形等。
在图9到图13所说明的实施例中，水平引导部分别具有离心力最大的会聚 部分27b、 27c、 27d、 27e和27f 。水平引导部中的材料通过离心力而沿着 水平引导部的内表面流动，且因此材料收集于会聚部分27b、 27c、 27d、 27e 和27f中。覆盖该接纳单元的上部的旋转器盖对应于水平引导部的形状而 形成，且容器可耦合到旋转器盖的对应于会聚部分27b、 27c、 27d、 27e和 27f的位置。
根据本发明 一 实施例的离心分离机可应用于可从倾斜表面向下移动的 所有种类的材料，所述倾斜表面相对于重力，即相对于液体和固体(例如液 体、粉末、凝胶、液体与固定的混合物、胶体、接近球形的固体)形成倾斜。
即使当上述材料的量较小'，材料也受到摩擦的影响，因为材料在容器40 的内壁表面和接纳单元20的内壁表面上向下流动。在旋转器IO旋转时，将 离心力施加于容器40和接纳单元20中的材料，且由于容器40和接纳单元 20的内壁表面倾斜且形成相对于重力的倾斜表面，因此容器40和接纳单元 20内的材料经受重力和离心力两者。在旋转器IO速度减小且因此离心力变 为小于重力时，材料可由于重力而沿着倾斜表面向下流动。由于存在对材 料的向下流动的阻力，因此材料开始向下流动的时间点取决于材料的特性 且因此可变化。
假定在没有施加摩擦时的理想状态，当施加于材料的重力和离心力相 同时，将出现平衡点，其中材料不流动且维持不动状态。然而实际上，存 在对流体的摩擦(即，阻力)，且因此需要考虑摩擦。
图14是说明假定在根据本发明一实施例的离心分离机中没有产生离心 力时施加于材津十的力的示意图。
图14中，容器经固定以形成相对于水平表面的角度a，借此可具有相对 于重力的倾斜表面As。这里假定离心分离机不旋转且因此不施加离心力。仅 重力G施加于材料，且重力G在倾斜表面As的方向上的分量Gs使材料沿 着容器的倾斜表面As向下流动。由于材料与容器的倾斜表面As之间的流 体阻力而引起的摩擦力Fs形成于与材料流动方向相反的方向上，借此可阻 止材料的向下流动。
图15A示意性地说明改变为施加较大离心力的状态的图14的力。
当旋转器旋转时，离心力C施加于材料。水平地施加离心力C，且因此对 容器的倾斜表面As的力Cs使材料向上流动。由于离心力C和重力G的合力T，材料朝向容器的倾斜表面As而受压。离心力C形成为大于重力G，且 因此施加于容器的倾斜表面As上的材料的合力T的力Ts指向上，且当容 器的倾斜表面As上的力Ts大于摩擦力时，材料沿着容器的倾斜表面As而 向上移动。
为使材料向下流动，旋转器的速度需要进一步减小，使得离心力C可 变为较小，或倾斜表面As需要更倾斜，使得容器的倾斜表面As上的力Gs 可变为较大。在根据本发明实施例的离心分离机中，容器的角度相对于旋 转器而固定，且因此倾斜表面无法进一步倾斜，且接纳单元的倾斜表面也 固定。因此，需要改变旋转速度。
图15B示意性说明改变为施加较小离心力的另一状态的图14的力，其 中离心力减小。
图15B中，旋转器的速度减小且因此离心力C减小，且容器的倾斜表 面As上的离心力的力Cs变为较小。因此，重力G和容器的倾斜表面As上 的离心力C的合力T的力Ts使材料向下流动。当旋转器的速度减小且离心 力C变为小于重力G时，材料可沿着倾斜表面向下流动，然而，作为材料与容 器的内壁表面之间的流体阻力的摩擦力Fs阻止材料的流动。也就是说，倾 斜表面上的离心力C的力和摩擦力Fs的合力与重力在倾斜表面上的力Gs 相反地施加。因此，当倾斜表面上的力Ts大于作为阻力而起作用的摩擦力 Fs时，材料可向下移动。
材料向下的流动受到两个参数的影响。
第一，重力和离心力是关于比重的参数。假定旋转器10以相同的 RPM(即，相同的旋转速度)旋转，那么旋转半径越大，离心力越大。因此，当 旋转器10的旋转速度减小时，最接近旋转轴的层首先开始向下流动。层的 比重越大，层的旋转半径越大。因此，在旋转器的速度减小时，位于较大 旋转半径处的材料比位于较小旋转半径处的材料更晚流动。因此，较容易 获得具有较大比重的材料。而且，经产生以通过重力和离心力而使材料向 上移动的力称为提升力，且材料依据提升力的大小而从倾斜表面向上或向 下移动。
第二，摩擦力是关于流体阻力的参数。干扰流体的复合流动的力由各 种参数来确定。参数的实例是液体情况下的粘度和粘着力(表面张力)以及 固体情况下的移动性、摩擦以及半固体(凝胶)或混合材料的粘着性。此类 力是摩擦力类型。所有此类力全部可表达为流动阻力或反重力的力。
在根据本发明 一 实施例的离心分离机中，具有大比重和高流动阻力的 材料可容易从具有小比重和低流动阻力的材料分离。特定来说，当分离细
胞时，由于作为将获得的对象材料的细胞满足例如大比重和高流动阻力的 特性，因此细胞可容易分离。图16是说明根据本发明另一实施例的容器40的支撑结构的侧视图，图 17是当容器旋转时图16的容器的侧视图，且图18是处于释放状态的图16 的容器40的侧;脱图。
参看图16所说明的容器40，制动器部31包含通过经由信号线33a接 收的外部信号来操作的锁定装置33b。当锁定装置33b接收到信号时，锁定 装置33b朝向容器40突出，且与附接到容器40的耦合件43b耦合。当锁 定装置33b耦合到耦合件43b时，可维持其中容器40的开口连接到制动器 部31的出口的耦合状态。
当离心分离完成且因此旋转器IO停止时，锁定装置33b由外部信号操 作且从耦合件43b释放。因此容器40从制动器部31脱离且通过容器40的 重量而围绕枢转轴41向下旋转而呈现释放状态。
在本发明的当前实施例中，锁定装置33b附接到制动器部31且耦合件 43b附接到容器40。然而，本发明不限于此，且锁定装置33b和耦合件43b 的位置可交换。
本发明的模式
图19是说明根据本发明另一实施例的离心分离机的容器40的支撑结 构的立体图。
参看图19,容器40可旋转地耦合到制动器部31，其间插有枢转轴41，且 有力的驱动单元耦合到枢转轴41。在当前实施例中，旋转马达"b用作所 述有力的驱动单元，且可采用可产生使容器40的枢转轴41旋转的驱动力 的其它各种实施例。旋转马达41b由外部信号来操作且驱动枢转轴41以旋 转容器40。
在执行离心分离时，旋转马达41b施加驱动力，所述驱动力朝向制动 器部31而旋转容器40以维持容器的开口 42面向制动器部31的出口 32的 耦合状态。当离心分离完成时，在相反方向上驱动该旋转马达41b以向下 旋转容器40。
图2 0是说明根据本发明 一 实施例的离心分离方法的流程图。 根据本发明当前实施例的离心分离方法来使用旋转器，其包含通过离 心力来引导材料向上移动的接纳单元、覆盖所述接纳单元的上部的旋转器 盖，以及可拆卸地耦合到旋转器盖且连接到接纳单元的容器。
离心分离方法包含向接纳单元中提供材料(SIOO)，通过以第一速度旋 转该旋转器来离心分离材料，使得材料可移动到接纳单元的上部并流入容 器中(SllO)，将旋转器的旋转速度减小到小于第一速度的第二速度，使得 某些经离心分离的材料层向T流动到接纳单元(S120)，释放旋转器盖和容 器的耦合，使得容器的开口可指向上(S130)，以及停止旋转器(S140)。离 心分离方法可进一步包含在停止旋转器(S140)之后在容器中收集材料
18(S150)。
在S120中，旋转器旋转时的第二速度可设定为使得经离心分离的材料 中在容器外部上的某些层粘附到容器且剩余的层由于重力而下落到接纳单 元中的速度。
而且，第二速度可设定为允许1到80G的离心力施加于材料的速度。上 述范围内的第二速度是基于实验而确定的，且可经调节以使得水或脂肪可 向下流动到接纳单元且仅干细胞可保留在容器中。
图21是说明根据本发明'另一实施例的离心分离方法的流程图。
根据本发明当前实施例的离心分离方法也使用旋转器，其包含通过离 心力来引导材料向上移动的接纳单元、覆盖所述接纳单元的上部的旋转器 盖，以及可拆卸地耦合到旋转器盖且连接到接纳单元的容器。
根据图21所说明的本发明当前实施例的离心分离方法进一步包含将接 纳单元底部上接收的材料(S120a)予以排放以及将清洗溶液注入接纳单元 中并重复步骤S110到S120a (S120b)。
离心分离方法包含向接纳单元中提供材料(SIOO),通过以第一速度旋 转该旋转器来离心分离材料，使得材料可移动到接纳单元的上部并流入容 器中(SllO),将旋转器的旋转速度减小到小于第一速度的第二速度，使得 某些经离心分离的材料层下落到接纳单元中(S120)，通过穿过旋转器盖且 插入接纳单元中的流入管来排放在接纳单元底部上接纳的材料(S120a)，在 将清洗溶液经由流入管而注入接纳单元中之后重复步骤S110到 S120a(S120b)，从旋转器盖去耦容器，使得当完成材料的分离且未注入清 洗溶液时容器的开口可指向上(S130),以及停止旋转器(S140)。离心分离 方法可进一步包含在停止旋转器(S140)之后在容器中收集材料(S150)。
重复包含注入清洗溶液的操作S110到S120a的原因是为了在将流入接 纳单元中的某些材料层混合于需要单独收集的材料层中时再次离心分离材 料并使非所要的材料层流入接纳单元中。
尽管已参看本发明的示范性实施例来特定展示和描述了本发明，但所 属领域的技术人员将了解，在不脱离由所附权利要求书界定的本发明精神 和范围的情况下可做出形式和细节上的各种改变。
工业适用性
本发明涉及一种离心分离机和离心分离方法，所述方法使用在旋转期 间离心力根据流体的特定成分而变化的原理通过调节旋转速度来分离被施 加较大离心力的流体与被施加较小离心力的流体。因此，通过使用离心分 离机和离心分离方法，可离心分离材料并可准确且容易地分类和收集材料层。
权利要求
1. 一种离心分离机，其特征在于包括旋转器，其包括接纳单元和旋转器盖，所述接纳单元接纳材料并通过离心力来引导所述材料向上移动到所述接纳单元的上部，且所述旋转器盖覆盖所述接纳单元的所述上部；以及容器，其耦合到所述旋转器盖以连接到所述接纳单元且接纳沿着所述接纳单元而向上移动的所述材料。
2. 根据权利要求1所述的离心分离机，其特征在于所述接纳单元包括 垂直引导部，所述垂直引导部的水平横截面向下逐渐减小，使得接纳在所 述接纳单元中的所述材料通过离心力而向上流动。
3. 根据权利要求2所述的离心分离机，其特征在于所述接纳单元进一 步包括从所述垂直引导部的上端向上倾斜并延伸到外部的水平引导部，且所述水平引导部包括至少一个会聚部，在所述会聚部处所述离心力最 大，使得从所述垂直引导部向上移动的所述材料通过离心力而沿着所述水 平引导部的内壁移动并会聚到所述会聚部中。
4. 根据权利要求3所述的离心分离机，其特征在于所述水平引导部的 水平横截面由耦合在 一起而向外弯曲的两个弧形成。
5. 根据权利要求3所述的离心分离机，其特征在于所述垂直引导部由 倒圆锥形状形成。
6. 根据权利要求3所述的离心分离机，其特征在于所述垂直引导部的 所述内壁向内弯曲。
7. 根据权利要求3所述的离心分离机，其特征在于所述接纳单元的表 面经涂覆以减小抵制所述材料流动的表面阻力。
8. 根据权利要求3所述的离心分离机，其特征在于所述旋转器盖包括 连接到所述接纳单元并向所述旋转器盖的上部开放的制动器部，且所述容器可旋转地耦合到所述制动器部，且所述容器在所述容器的开口面朝向所述制动器部且连接到所述接纳单 元的耦合状态与所述容器的所述开口从所述制动器部脱离的释放状态之间 旋转。
9. 根据权利要求8所述的离心分离机，其特征在于所述制动器部经安 置以对应于所述水平？ 1导部的所述会聚部。
10. 根据权利要求9所述的离心分离机，其特征在于所述制动器部支撑 所述容器以使得将所述容器的中心轴相对于所述旋转器的旋转轴的角度维 持为大于90度且小于180度。
11. 根据权利要求10所述的离心分离机，其特征在于所述制动器部包括支撑部，所述支撑部通过向所述容器施加^f兹力而将所述容器支撑在耦合 状态。
12. 根据权利要求11所述的离心分离机，其特征在于在所述旋转器的 减小的旋转i4度下在所述经离心分离的材料的 一部分已向下流动到所述接 納单元之后，通过所述支撑部施加相反的磁力或释放磁力，所述容器转换 为所述释放状态，且所述容器通过重力和离心力而向下旋转，使得所迷容 器的所述中心轴相对于所述旋转器的所述旋转轴的角度小于9 0度。
13. 根椐权利要求10所述的离心分离机，其特征在于耦合件以及将耦 合到所述耦合件并将所述容器支撑在所述耦合状态的由外部信号操作的锁 定装置安装在所述制动器部与所述容器之间。
14. 根据权利要求13所述的离心分离机，其特征在于在所述旋转器的 减小的旋转速度下在所述经离心分离的材料的一部分已向下流动到所述接 纳单元之后，通过释放所述锁定装置与所述耦合件的耦合，使所述容器转 换为所述释放状态，且所述容器通过重力和离心力而向下旋转，使得所述 容器的所述中心轴相对于所述旋转器的所述旋转轴的角度小于90度。
15. 根据权利要求10所述的离心分离机，其特征在于所述容器通过安部，且所述枢转轴由通过外部信号来操作的有力的驱动单元驱动。
16. 根据权利要求9所述的离心分离机，其特征在于所述离心分离机进 一步包括包围所述旋转器的壳体，且第一磁性主体安装在所述壳体中，且 第二磁性主体安装在所述旋转器的外部中，且在所述旋转器旋转时，所述旋转器和所述壳体通过所述第一^t性主体与所述第二^f兹性主体之间的排斥 力而维持在彼此相距预定距离。
17. 根据权利要求16所述的离心分离机，其进一步包括 壳体盖，其耦合到所述壳体以覆盖所述旋转器的所述上部；以及 流入管，其从外部通过所述壳体盖和所述旋转器盖且插入至所述旋转器的所述接纳单元中，且将接纳在所述接纳单元中的所述材料排放到外部 或将外部材料注入所述接纳单元中。
18. —种使用旋转器进行离心分离的方法，所述旋转器包括 接纳单元，其通过离心力来S1导材料向上移动； 旋转器盖，其覆盖所述接纳单元的上部；以及容器，其可拆卸地耦合到所述旋转器盖且连接到所述接纳单元， 所述方法包括a) 向所述接纳单元供应材料；b) 通过以第一速度旋转所述旋转器来离心分离所述材料，使得所述材 料移动到所述接纳单元的上部并流入所述容器中；C)将所述旋转器的旋转速度减d、到小于所述第 一速度的第二速度，使得某些所述经离心分离的材料层向下流动到所述接纳单元中；d) 从所述旋转器盖去耦所述容器，使得所述容器的开口指向上；以及e) 停止所述旋转器。
19. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于步骤c)进一步包括在所 述旋转器的所述旋转速度减d、到所述第二速度之后，使用通过所述旋转器 盖且连接到所述旋转器的所述接纳单元内的流入管来排放接纳在所述接纳 单元中的所述材料。
20. 根据权利要求19所述的方法，其进一步包括在排放接纳在所述接 纳单元中的所述材料之后通过所述流入管将清洗溶液注入所述接纳单元 中，并重复b)和c)。
21. 根据权利要求20所述的方法，其特征在于所述第二速度被设定为 产生一离心力的速度，所述离心力有助于将由离心分离机分开的最外层附 接到所述容器并通过重力使其它层向下流动到所述接纳单元。
22. 根据权利要求20所述的方法，其特征在于所述第二速度经设定以 使得将1到80 G的离心力施加于所述材料。
全文摘要
本发明提供一种离心分离机，其可准确且容易地分离和收集经离心分离材料层，所述离心分离机包含旋转器，其包括接纳单元和旋转器盖，在所述接纳单元内接纳材料并通过离心力来引导所述材料向上移动，且所述旋转器盖覆盖所述接纳单元的上部；以及容器，其耦合到所述旋转器盖以连接到所述接纳单元且收集移动到所述接纳单元的上部的材料。本发明还提供一种离心分离方法，其中在由所述离心分离机离心分离所述材料的层之后，减小所述离心分离机的旋转速度以使用在旋转期间离心力根据流体的成分的比重而变化的原理，通过调节旋转速度来分离被施加较大离心力的流体与被施加较小离心力的流体，借此准确地分类和收集所需材料的层。
文档编号B04B1/08GK101534955SQ200780024529
公开日2009年9月16日 申请日期2007年1月3日 优先权日2006年6月30日
发明者李喜永, 李晙硕 申请人:美得康株式会社