分离系统、装置及使用方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年11月30日提交，申请号为62/773,417，名称为“从生物液体中分离特定细胞群的装置”的美国临时专利申请的优先权，其全部公开内容通过引用合并于此。

本发明涉及用于从样品中分离生物材料的系统、装置以及方法，例如生物流体、离散的组织标本及培养细胞等样品。

背景技术：

在许多医学研究领域，从复杂的生物流体(例如血液)中分离特定细胞或细胞群是一种常规流程。有许多不同的流程可供使用并且在分离靶细胞的研究团体中被广泛使用。

将抗凝血离心从而分离红细胞和白细胞。较轻的白细胞沉淀缓慢，从而在红细胞的上方形成透明层。该层通常被称为“白膜层”。为了去除红细胞，通常需要采用一些洗涤步骤。这个过程在过去许多年里是用于血液分离淋巴细胞的标准流程。

引入具有白细胞的比重的分离介质(即密度分离介质)，使得通过离心穿过密度分离介质的抗凝全血，可以从红细胞中分离白细胞。通过密度分离介质，较重的红细胞沉淀，而白细胞保持在密度分离介质的顶部。因此可以用移液管将白细胞层小心地移除。然而，这会对活细胞产生附加应力。时至今日这依旧是从血液试样中提取白细胞的标准流程。

us4,832,851a公开了一种过滤血液的装置。这个装置包含了过滤器皿，器皿在开放下端处具有过滤器，其中开放下端插入在一个下端闭合上端加盖的容器中。过滤器皿的带盖颈部由毛细通道组成，以平衡压力。除了别的以外，该参考文献未教导容器内用于悬浮过滤器皿的盖，其中该盖是设计了用于调节或者帮助调节过滤器皿内压力的装置。

us9,764,079b2公开了一种用于从血液中分离白细胞的分离系统。该系统包含了带盖的有开放入口的分离管，其可放置在一个带盖且下端封闭的离心管当中。在离心过程中，小细胞团会沉淀在离心管的底部，而白细胞则保留在分离管当中。除了别的以外，该参考文献未教导分离管浸没在分离介质中，或者盖上设计了用于调节或者帮助调节分离管内压力的装置。

us10,040,064b1公开了一种提取血液成分的离心管组件。内管下端开口且上端为螺纹公鲁尔接头状的开口，并且鲁尔接头由盖封闭。内管延伸通过外容器管的盖。在离心过程中，密度小的成分向盖移动，而密度最大的成分在内管的底部聚集。除了别的以外，该参考文献未教导内管浸没在分离介质中，或者盖上设计了用于调节或者帮助调节内管内压力的装置。

us4,315,892a公开了一种用于分离血液相的液体收集装置。外容器有由盖密封的开口上端。在外部管内放置含密封剂的相分离装置。在离心过程当中，细胞相分离并且密封剂由相分离装置释放到相之间并形成半刚性的分离。除了别的以外，该参考文献未教导底端开口的内部容器元件通过附着在盖上悬浮在外部管中，其中盖上设计了用于调节或者帮助调节内部容器元件压力的装置。

us2014/0349828a1公开了一种包含收集器的离心器皿，该收集器具有开口和盖。器皿包含改变浓度的溶液和血液样本。在离心过程中，该血液样本根据密度分离成目标物质的相应部分，并且该目标物质，例如循环肿瘤细胞和血细胞，从器皿中被移至收集器中。除了别的以外，该参考文献未教导盖用于固定器皿内的收集器的盖，也未教导在盖上设计用于调节或者帮助调节收集器内压力的装置。

us4,683,058a公开了一种用于分离血液的过滤组件。该组件包含带有过滤管的离心管，该过滤管的上端用盖密封，下端则为带过滤器的开口。除了别的以外，该参考文献未教导过滤管的底端浸没在分离介质中，或者是盖上设计了用于调节或者帮助调节过滤管内压力的装置。

us6,835,353b2公开了一种用于分离血液成分的离心驱动组件。该组件包含管状容器和用于支撑带有第二盖的端口的封闭件。除了别的以外，该参考文献未教导第二盖上设计了用于调节或者帮助调节系统内压力的装置，即从盖延伸的端口或管道。

us6,516,953b1公开了一种含有封闭元件的硬管，该封闭元件包括包含隔膜和中央通道的管状密封塞。该密封塞把血液样品分离为高密度和低密度成分。除了别的以外，该参考文献未教导通过附着在管道封闭件上而悬浮在外部管内的底端开口的内部容器元件，其中该管道封闭件上设计了用于调节或者帮助调节内部容器元件压力的装置。

us2004/0166029a1公开了一种分离血液成分的设备。该设备包含具有开放底端和用于封闭顶端的波纹管的分离器。该分离器放置在外部容器当中。除了别的以外，该参考文献未教导底端开口的内部容器元件通过附着在盖上悬浮在外部管中，其中盖上设计了用于调节或者帮助调节内部容器元件压力的装置。

us4,436,631a公开了一种用于分离血液样品的系统。该系统含有含有洗涤溶液的外部离心管和可插入至外部离心管内的内管。该系统根据不同成分的密度来分离血液样品。该内管含有通气孔使得底端内部区域能和大气相通。除了别的以外，该参考文献未教导设计了用于调节或者帮助调节内管内压力的装置的盖。

根据前面的描述，本领域需要一种装置和系统来提供将目标物质从非目标物质分离的手段，以及调节系统内的空气压力以允许分离的目标物质的受控地释放和分析的手段，从而减少分离和收集过程/步骤的数量，并因此减少目标物质的压力。

技术实现要素：

用于分离生物材料的系统至少包括分离装置，即离心管、底部开口的分离管、盖及布置在分离装置内的分离介质。该离心管和分离管配置为密封地和可释放地连接至盖。而该盖配置为帮助和/或调节盖的外部区域和分离管的内部间的空气流或气体流。该分离介质的体积使得，当分离管和离心管与盖连接时，分离管的开放底部能够浸没在分离介质中。

在实施例中，孔延伸通过盖的顶部并且通向盖的内部，即盖的腔体，从而在盖与分离管连接时，盖可以在盖外部的区域和分离管的内部提供开放连通。在进一步的实施例中，盖包括一个或多个通道，其延伸通过盖的顶部，使得当盖与分离管相连时，这些通道在与盖的顶部毗邻的区域和分离管的内部之间提供了开放连通。

在孔和通道延伸通过盖的顶部的实施例中，盖包括塞子，塞子配置为可释放性地密封该孔和通道。塞子的下部可插入到该孔内，并且其配置为密封该孔。该塞子的上部包括法兰。在实施例中，法兰配置为在关闭位置和打开位置间进行转换。在关闭位置时，该法兰配置为密封通道；在打开位置时，该法兰配置为解密封，即打开通道，从而提供分离管的内部和盖的外部区域之间的开放连通。在一实施例中，塞子的上部为机械致动器，其配置为使法兰在打开位置和关闭位置之间转换。

在实施例中，塞子通过其下端和盖内表面和/或分离管内壁的过盈配合从而可释放性地保留在盖内。在另一个实施例中，该塞子下端有一圈凹槽围绕。该凹槽的构造能与腔体上部突出的定位唇进行嵌合，定位唇卡入凹槽中以在塞子和盖之间形成咬紧配合。除了过盈配合，该咬紧配合能进一步帮助塞子和盖之间的可释放性连接。

在实施例中，系统还包含空心针，而该空心针与调节空气、气体或其他物质流通的装置相连接。该针可以贯穿插入至盖或塞子中，从而帮助空气、气体或者其他物质引入分离管当中。用于调节空气、气体或其他物质流动的装置例子包括但不限于：注射器、泵和空气压缩机。

运用该分离系统从液体样品中分离和收集目标物质的方法包括：在分离装置当中放置密度分离介质，使分离管的下部能够浸没在该介质当中；在分离管内部的密度分离介质的上层放置液体样本；在需要时密封盖，例如盖需要塞子的情况下；对液体样本进行离心；当离心完成时，将离心管与盖分开，此时目标物质被保留在分离管内；引入空气或气体到分离管当中，从而帮助一定数量的目标物质从分离管底部的开口流出；然后停止空气或气体流入分离管中，从而停止目标物质从分离管底部开口的流出。引入和停止空气或气体流入分离管的步骤可以按需重复，以收集目标物质。可以在目标物质流出时和/或流出后对其进行分析。

通过下文对本发明优选示例的更详细描述、相应的图纸还有权利要求，本发明的前述和其它特征与优势将更为显而易见。

附图说明

为了更好的理解本发明，参考后面的描述及附图，将简要描述对象及其优点。

图1a展示了本发明实施例的分离装置的剖视图；

图1b展示了本发明实施例的分离装置的透视图；

图1c展示了本发明实施例的分离装置的透视图；

图1d展示了本发明实施例的分离装置的截面图；

图2展示了本发明实施例的离心管的透视图；

图3a展示了本发明实施例的分离管的剖视图；

图3b展示了本发明实施例分离管的透视图；

图3c展示了本发明实施例分离管的透视图；

图4a展示了本发明实施例的盖的剖视图；

图4b展示了本发明实施例的盖的透视图；

图4c展示了本发明实施例的盖的俯视图；

图4d展示了本发明实施例的盖的仰视图；

图5a展示了本发明实施例的塞子的剖视图；

图5b展示了本发明实施例的塞子的底部透视图；

图5c展示了本发明实施例的塞子的顶部透视图；

图5d展示了本发明实施例的塞子的侧视图；

图6a展示了本发明实施例的塞子的剖视图；

图6b展示了本发明实施例的塞子的透视图；

图6c展示了本发明实施例的塞子的侧视图；

图7a展示了本发明实施例的分离管、盖和塞子在装配状态下的剖视图；

图7b展示了本发明实施例的分离管、盖和塞子在装配状态下的透视图；

图7c展示了本发明实施例的分离管、盖和塞子在装配状态下的视图；

图8a展示了本发明实施例的分离管、盖和用针和调节器操作的塞子的剖视图；

图8b展示了本发明实施例的分离管、盖和塞子在装配状态下的透视图；

图8c展示了本发明实施例的分离管、盖和塞子在装配状态下的透视图；以及

图9为展示了本发明实施例的使用分离系统的方法的流程图。

具体实施方式

参照图1a-9，可以理解本发明的优选实施例及它们的优点，附图中相同的数字指代相同的部件。

根据图1a-1d，分离装置5包括离心管10、分离管15和盖20(有或没有塞子25)，其中每一个部件都会单独在图2-6c进行进一步阐释。

根据图2，离心管10具有开放顶部，该顶部通向腔体30。离心管10的底部是封闭的。连接器35位于离心管10的上部。

根据图3a-3c，分离管15具有开放顶部和开放底部，其中每个都通向中空内部40。连接器45位于分离管15的上部。另外参照图2，这些附图描述了分别围绕离心管10和分离管15的上部的外周以螺纹形式延伸的连接器35、45。但是，本领域的技术人员会理解并意识到运用其他连接方式也可以达成相同的功能。

根据图4a-4d，盖20具有开放底部，该底部通向腔体50。腔体50包括连接器55、60，其分别与连接器35、45匹配地接合，以使离心管10和分离管15可释放地耦合到盖20。孔62延伸通过盖20的顶部表面并通向腔体50。腔颈65相邻于连接器55布置且从连接器55向内设置。在一实施例中，定位唇70从腔颈65的下部突出。在装配状态下，分离管15耦合于未堵住的盖20，盖20提供在分离装置5外部区域和中空内部40之间的开放连通。

在实施例中，一个或多个通道75延伸通过盖20的顶部表面。在装配状态下，分离管15耦合于盖20(堵住或未堵住的)，通道75提供盖20的顶部和腔体40之间的开放连通。换而言之，在腔体50被密封的情况下，通道75作为旁路使流入的空气行进到腔体40中。例如在实施例中，如图1a、1d和7a所示，当分离管15连接到盖20时，分离管15的内壁与腔颈65的后表面被开放空间80分离。通道75通过盖壁并且通向开放空间80，使得空气无需通过孔62而行进进入且通过开放空间80。

根据图5a-6c，塞子25包括从塞子25的外周延伸的法兰85。法兰85的底部表面配置为配合盖20的顶部表面的轮廓。例如在优选实施例中，法兰85的底部表面布置成正交于法兰的中心轴线，使得它能座落在盖20的顶部表面上并与其形成气密密封。拉带90从法兰85的外边缘延伸且有利于从盖20移除塞子25。

塞子25的下部(即塞子25在法兰85下方的部分)具有腔体95，并且其配置为容纳在腔体50中。在插入时，通过塞子25的下部和腔颈65壁面和/或分离管15的内壁之间的过盈配合(即摩擦)，将塞子25的下部可移除地保留在腔体50内，从而在塞子25和腔颈65和/或分离管15之间分别形成密封(即气密)接合。

根据图5a-5d，在实施例中，凹槽87围绕塞子的下部的外周延伸，以当塞子25插入到盖20中时促进与盖的定位唇70的咬紧配合。

进一步参考图5a-5d，在实施例中，塞子25顶部的中心部分100充当机械致动器，以使法兰85在打开位置和关闭位置之间转换。中心部分100的周长小于腔体95的周长，这允许中心部分100向下位移。朝向腔体95按压中心部分100迫使法兰85向上反转至打开位置。相反的，松开中心部分100使得法兰85放松并回到其初始状态，即关闭位置。

根据图6a-6c，在一实施例中，中心部分100的周长大于腔体95的周长，从而阻止了中心部分100的向下位移。通过阻止中心部分100向下位移，法兰85保持在关闭位置，即它无法转换至打开位置。这确保通道75仍然密封以防止运输过程中意外的的漏损或者泄露等。

在实施例中，空心针102用作引入空气或者气体通过塞子25进入分离管15的上部的装置。空心针102与调节器104连接。调节器104可以是注射器、泵或者其他设备/仪器，例如空气压缩机，其配置为调节空气、气体或其他物质的流动。这允许以控制的(即受约束的和可计算的)方式将空气或气体引入到分离管15的上部。

塞子25由具有弹性性质的柔性和/或可压缩的材料组成，例如塑料、橡胶或者硅胶。通过在与腔颈65接合/分离期间，使塞子25的下部承受预先设定程度的形变(例如压缩)，这有利于塞子25的下部和腔颈65的壁面和/或分离管15的内壁之间的过盈配合。再者，这有利于法兰85在打开位置和关闭位置间转换的过程。除此之外，这有利于针102穿透通过塞子25的顶部并进入腔体95，从而将空气或气体引入至分离管15中。

在一实施例中，阀或端口(未示出)与塞子25成一体。阀或者端口提供了一种替代装置，通过耦合到调节器104的针102刺穿阀或端口，以将例如空气、气体或生物材料等物质注射到分离管15中。

在实施例中，盖20配置为没有孔62，使得盖20的顶部为封闭的，即密封的，因此盖20不需要塞子25来保证气密密封。在这样的实施例中，可使用一个或多个阀装置穿过盖20以进入分离管15的内部。例如，耦合于调节器104的针102(可以刺穿盖20)，或者与盖20成一体的其他阀或端口(未示出)，向分离管15中注射如空气、气体或生物材料等物质。盖20的至少一部分优选由具有弹性性质的柔性和/或可压缩的材料组成，例如塑料、橡胶或者硅胶，以利于针102穿透通过盖20并进入腔体95，从而将物质引入至分离管15中。

再次参考图1a，分离装置5的装配开始于使分离管15耦合于盖20(通过使连接器45与连接器60接合)。一旦完全接合，分离管15的上边缘和盖凸缘105邻接，从而提供盖20和分离管15间的密封接合，即气密接合。接着，分离管15容纳于离心管10中，且离心管10通过连接器35和连接器55的接合而耦合于盖20。一旦完全接合，离心管10的上边缘与盖凸缘110邻接，从而提供盖20和离心管10之间的密封接合，即气密接合。接着，塞子25的下部可移除地插入腔体50中。一旦完全插入，塞子25的下部位于腔体50中，并且法兰85的底部边缘紧靠盖20的顶部表面，从而提供盖20和塞子25之间的密封接合，即气密接合。盖20和塞子25之间的密封接合，以及盖20和分离管15之间的密封接合，与用于以受控的方式将空气或气体引入至分离管15的装置(例如通道75和法兰85，或者是针102与调节器104)相配合，从而提供了使液体从分离管15的开放底部受控地流出的方法。

进一步参照图1a，密度分离介质115在分离装置5中使用，以分离目标生物材料。密度分离介质115的密度取决于待分离物质的密度。例如，为了将目标白细胞从红细胞当中分离，密度分离介质115的比重应当高于目标白细胞群。这使密度更高的红细胞通过分离管15的开放底部沉淀至离心管10的底部。同时，密度更低的白细胞会保持在分离管15内的密度分离介质115的顶部。

使用方法

图9根据本发明的实施例，概括了使用分离系统的方法。在步骤200中，将预设体积的密度分离介质115放置到分离装置5中。这可以通过以下示例方式实现：将密度分离介质115置入离心管10中，然后将耦合于盖20的分离管15插入至离心管10中，并使盖20耦合于离心管10，借此，密度分离介质115进入分离管15且通过分离管15的开放底部。再如，耦合于盖20的分离管15可以插入至离心管10中，然后使离心管10耦合于盖20，并放置密度分离介质115通过腔体50进入分离管15中，借此，密度分离介质115流动通过分离管15的开放底部进入离心管10中。置入分离装置5中的密度分离介质115的量使得分离管15的下部被密度分离介质115浸没并且分离管15的下部填充有密度分离介质115。

在步骤205中，包含生物材料的样品放置在分离管15内的密度分离介质115的顶部。这可以通过以下示例实现：用针102刺穿盖20并将通过针102的样品分配至分离管15中，或者，经由孔62通过腔体50将样品放置在分离管15中。在步骤210中，在孔62延伸通过盖20的顶部表面的实施例中，塞子25与盖20接合以保证分离装置5的完全气密，从而为离心做准备。在步骤215中，将含有密度分离介质115和样品的分离装置5放置在离心机中，并且对样品进行离心。

根据图7a-8c，离心完成后，在步骤220中，离心管10从盖20上移除，而分离管15依然与盖20保持连接。盖20和塞子25之间，以及盖20和分离管15之间的密封接合(即气密接合)，防止液体从分离管15的下端流出。通过密封分离管15的顶部，阻止了空气进入并阻止对分离管15内的液体施加向下的力，仅留有施加在开放底部处液体的向上的大气压力。像这样，分离管15内的压力小于外部大气压力。进一步地，向上的大气压力大于将液体向下拉的重力。因此，液体保留在分离管15内。

在步骤225中，空气或者气体被引入到分离管15的上部。分离管15内的压力上升使得其与外部大气压力相等或者大于外部大气压力。空气或气体能够通过多种方式引入到分离管15中。例如在一实施例中，在塞子25上施加压力使得法兰85转换到打开位置，从而使流入的空气能够通过通道75并进入到分离管15中。反转的程度取决于施加于塞子25上的压力大小。因此，流入气体的体积能够通过调节施加在塞子25的压力进行控制。当空气进入分离管15的顶部时，施加在液体上的向上的和向下的空气压力被平衡掉，从而使重力成为主导力，导致液体从分离管15的底部流出。当空气引入到分离管15中时，相应体积的液体通过分离管15的下端排出。因此，通过调节施加在盖20上压力的大小，能够控制从分离管15的液体的释放。

在另一实施例中，针102刺入并通过塞子25，并且空气或气体通过针102引入至分离管15的上部。针102连接着调节器104，从而以可调节的方式将空气或气体引入至分离管15的上部。调节的空气或气体流入量决定了来自分离管15的开放底部的流体的释放速度。当空气或气体引入至分离管15中时，相应体积的液体将通过分离管15的下部排出。因此，通过调节注射入到分离管15内的空气或气体的量，能够控制来自分离管15的液体的释放。

在步骤230中，使空气流或者气体流停止进入分离管15中。这通过以下示例完成：通过释放塞子25的压力，允许法兰85返回至其初始配置，即关闭位置，从而密封通道75且防止多余的空气进入分离管15。相似地，经过针102的空气流或者气体流也能停止。通过使空气流或气体流停止进入分离管15，分离管15内部的压力降至外部大气压以下，阻止了分离管15内任何残余液体的释放，直到空气流或者气体流恢复。

可选地，在步骤235中，根据特征，包括但不限于光吸收、发射、折射、反射和衍射，对分离管15中的流出物进行分析。

尽管前述方法是通过数字逐步递进的顺序进行描述和展示，但是这些步骤并不局限于任何具体的顺序。另外，有些步骤可能在时间上有重合，即它们可以与其他步骤同时进行。

在本文中通过仅用于阐释意图的具体实施例，已对本发明进行描述。但对领域内任何普通技术人员都显而易见的是，本发明的原理可以用其他的方式实现。例如，领域相关人员会理解和意识到在文中阐述和/或图中展示的连接方式，如螺纹连接、过盈配合、咬紧配合等等，都可以被其他连接方式替代并且发挥同样的功能。类似的，领域相关人员会理解和意识到颠倒连接方式的放置位置，例如内部放置和外部放置，并不会偏离本发明的适用范围。同样，显而易见的是本文公开的本发明特征，功能和/或元件可以用于不同的组合以创作本发明的不同实施例。因此，本发明不应该被视为限制于本文公开的具体实施例的范围，而应该与所附权利要求书的范围完全相当。