用于处理颗粒悬浮液的设备和方法与流程

1.本发明涉及一种用于处理颗粒悬浮液，特别是细胞悬浮液的设备和方法。


背景技术：

2.颗粒悬浮液的处理用于许多行业，尤其是包括生物制药行业的生物行业。在生物行业中，因为细胞通常是昂贵的材料和/或可用数量有限，所以处理细胞悬浮液的产量很重要。细胞悬浮液处理的精确度对于输出受控剂量的细胞也很重要，从而使标准化和优化过程结果成为可能。处理期间悬浮液中颗粒分布的改变，并且尤其是悬浮液均匀性的丧失，通过使转移体积与转移细胞数量不相关联来对精确度产生不利影响。由于处理不当而导致的细胞剂量不准确能够导致后续操作中的大量性能损失以及风险，该风险包括生物制药行业中的潜在致命风险。
3.目前使用各种系统和方法来处理颗粒悬浮液，尤其是用于他们的转移、冷冻、解冻或其他应用，其中包括通过管在设备之间建立直接连接，或使用临时容器(例如可变形袋、注射器、管、小瓶、烧瓶、移液管)。利用这样的系统和方法，由于由沉降所引起的颗粒的损失和聚集，颗粒悬浮液的组成和均匀性频繁地改变，从而导致产量可变且往往很低。此外，这样的系统和方法在使用简单性、精确度、对颗粒悬浮液的保护和温度控制方面通常不令人满意。
4.本发明更具体地旨在通过提出一种用于处理颗粒悬浮液，尤其是细胞悬浮液的设备和方法来弥补这些缺陷，其能够提高颗粒悬浮液处理的产量和精确度。


技术实现要素：

5.为此，本发明的一个主题是一种用于处理颗粒悬浮液，尤其是细胞悬浮液的设备，其包括：
6.‑
至少一个通道，其用于使颗粒悬浮液流动，其中通道的平均横截面为0.1mm2至9mm2并且标准流体阻力小于10
13
pa.s/m3，其中所述通道占通道长度一半的至少一部分被压实为使得由所述通道的部分所占据的体积的两点之间的最大距离小于所述通道的总长度的一半；
7.‑
泵送单元，其被配置为移动用于驱动通道中颗粒悬浮液的驱动流体，其中驱动流体通过界面与颗粒悬浮液分离；
8.‑
控制装置，其用于根据沿通道的界面的位置来控制泵送单元，该界面的位置被监测和/或在不可压缩驱动流体的情况下，由泵送单元注入通道中的驱动流体的体积来确定。
9.由于本发明，在颗粒悬浮液处理的产量和精确度方面获得了稳健且重要的改进。尤其是，根据本发明的设备可以通过空间分离和沉降高度的限制并且通过允许依靠惯性升力效应的有效且均匀的混合和再悬浮，来限制颗粒聚集。这是通过具有精心选择的横截面和布置的压实通道来代替用于颗粒悬浮液处理的普通储液器从而实现的。
10.相对较小的通道横截面限制了能够发生沉降的典型高度，并从而限制了相关的颗
粒再浓缩和聚集风险。此外，与处理悬浮液的普通装置相比，在应用中所使用的流速下，通道横截面的减小导致惯性升力比沉降力强得多，从而允许有效的颗粒再悬浮和置换。
11.尤其是，有效地避免了大量颗粒在颗粒悬浮容器壁附近移动的情况。这种情况经常发生是由于普通设备和方法的沉降和低惯性升力效应，导致产量低和输出中的异质性高，因为许多颗粒的移动速度比平均流速慢。
12.在本发明中，压实通道的特定形状和布置与用于控制泵送单元的控制装置相结合，该泵送单元被配置为移动用于驱动颗粒悬浮液的驱动流体，其中驱动流体通过界面与颗粒悬浮液分离。这种受控的驱动流体使得可以在不引起与驱动流体的混合或稀释的情况下置换压实通道中的颗粒悬浮液，并且可以准确监测颗粒悬浮液的置换体积。
13.在本公开中，“界面”是指通道中相邻的两种不同流体之间的分离，即颗粒悬浮液与驱动流体之间的分离。该分离可以是诸如垫片、膜、过滤器、颗粒或能够在通道中进行置换的任何其他分离装置的材料，例如图2b、3a、3b或3c所示的材料。该分离可以是颗粒悬浮液与驱动流体之间的接触表面。根据拉普拉斯定律和通道上流体的润湿特性，该接触表面被自定义为具有通道上接触角的最小能量的表面。如图2a所示，在圆柱形通道中，该表面是球冠。
14.根据一个实施例，驱动流体与颗粒悬浮液介质不可混溶。在这种情况下，驱动流体与颗粒悬浮液之间的界面由驱动流体与颗粒悬浮液之间的接触表面来形成。在一个实施例中，不可混溶驱动流体是空气，或在20℃下在水中的溶解度小于10mg/ml的油混合物。
15.根据一个实施例，驱动流体是可压缩的，优选驱动流体是气体。对于通常与气体一起使用的可压缩且不可混溶的驱动流体，颗粒悬浮液可以用控制压力而不是体积的简单泵单元来置换，而无需改变颗粒悬浮液的组成。
16.根据另一个实施例，驱动流体与颗粒悬浮液介质可混溶。在这种情况下，设备有利地包括在通道中的流体驱动垫片，以使得驱动流体与颗粒悬浮液之间的界面由位于驱动流体与颗粒悬浮液之间的流体驱动垫片形成。
17.在驱动流体与颗粒悬浮液之间的界面由驱动流体与颗粒悬浮液之间的接触表面形成的情况下，通道的入口在不存在流体驱动垫片的情况下有利地与过滤器连接，该过滤器的孔直径小于或等于1μm，优选小于或等于0.5μm，更优选小于或等于0.2μm，以便防止污染经处理的颗粒悬浮液。
18.根据一个实施例，设备包括沿通道的经校准的体积刻度，该经校准的体积刻度建立了沿通道的位置与颗粒悬浮液的置换体积之间的关系。在该实施例中，由于该经校准的体积刻度，沿通道的界面的位置能够被监测并且与颗粒悬浮液的置换体积相关联。
19.在设备包括经校准的体积刻度的情况下，通道有利地是透明或半透明的。
20.在一些情况下，设备由操作员手动使用，视觉检查允许以快速的方式估计颗粒悬浮液的置换体积。这种情况包括例如生物工程细胞的手动制造步骤。通道的透明性或半透明性允许对界面进行视觉监测，而经校准的体积刻度使得可以估计颗粒悬浮液的置换体积。经校准的体积刻度可以是例如通道外表面上的线和数字。在一个实施例中，设备包括沿通道长度的至少五个经校准的体积刻度。
21.需要强调的是，在许多实施例中，尤其是使用市售管形成通道的那些实施例中，结果发现通道的尺寸精度不足以使体积刻度仅基于沿通道长度的线性测量和基于通道标称
横截面的计算。然后，基于界面位置的任何体积测量都必须依靠预先执行的基于专用校准程序的专用校准。
22.根据一个实施例，驱动流体是可压缩流体，尤其是气体，例如空气。在这种情况下，通过利用驱动流体对设备进行预测试来将经校准的体积刻度沿通道放置到位，以便将界面的位置与颗粒悬浮液的置换体积相关联。
23.根据另一个实施例，驱动流体是如液体(例如油混合物)的不可压缩流体。在这种情况下，颗粒悬浮液的置换体积能够根据由泵送单元注入通道中的驱动流体的体积来确定。因此，在该实施例中，不需要经校准的体积刻度，注入通道中的驱动流体的体积信息足以确定沿通道的界面的位置。
24.根据一个实施例，界面沿通道的位置被视觉监测。
25.根据另一个实施例，界面沿通道的位置借助于跟踪系统来监测。
26.根据一个实施例，通道的横截面在分离颗粒悬浮液与驱动流体的界面被置换的长度的至少一部分上是恒定的。在一个实施例中，通道的横截面是圆形的。
27.根据一个实施例，在通道长度的至少10％上，通道是弯曲的，其曲率半径为2mm至50mm。
28.根据一个特征，通道被配置为承受比环境压力高至少0.5bar的水增压而不会破裂并且通道的泄漏或渗透流量低于充满水的总通道体积的每ml 60μg/min。
29.根据一个实施例，通道的一端可能经由过滤器与泵送单元连接，其中泵送单元可以是能够产生至少0.5bar压力变化的例如泵、压力控制器或注射器。根据一个实施例，通道的入口与泵送单元连接。
30.根据一个实施例，设备包括填充有如水的高热惯性流体的流体密封容器，通道布置在流体密封容器内。
31.根据一个实施例，通道包含在热绝缘材料层内。
32.根据一个实施例，通道的材料被配置为可以经受暴露在低至
‑
70℃的温度下，优选低至
‑
140℃的温度下。
33.根据一个实施例，通道被配置为使得当通道填充有10％的dmso水溶液并在20℃和环境压力(1bar)下放置6小时时，所述溶液在回收时仍包含有精度为+/
‑
1％的大约10％的dmso。
34.根据一个实施例，通道的出口与内直径为1mm至100μm的医用针连接。
35.根据一个实施例，设备包括至少两个通道，该至少两个通道在其出口处连接到歧管。根据一个实施例，连接到歧管的每个通道进一步连接到单个泵送单元，例如泵、压力控制器或注射器，或者在通道入口处或在其出口处配备阀。
36.在本发明的框架内，颗粒悬浮液的颗粒直径优选地为1μm至200μm。
37.颗粒悬浮液的颗粒尤其可以是活细胞、红细胞、血小板、活细胞的聚集体、活细胞和其他化合物的聚集体、组织或器官片段等。
38.本发明的另一个主题是一种处理颗粒悬浮液，尤其是细胞悬浮液的方法，其包括借助于用于驱动通道中颗粒悬浮液的驱动流体来使颗粒悬浮液流入或流出至少一个通道，其中驱动流体通过界面与颗粒悬浮液分离，其中通道的平均横截面为0.1mm2至9mm2并且标准流体阻力小于10
13
pa.s/m3，并且所述通道的占通道长度一半的至少一部分被压实为使得
被该通道的部分所占据的体积的两点之间的最大距离小于通道总长度的一半，该方法包括借助于泵送单元来移动驱动流体以及根据界面沿通道的位置来控制泵送单元，该界面的位置被监测和/或在不可压缩驱动流体的情况下，由泵送单元注入通道中的驱动流体的体积来确定。
39.根据一个实施例，使颗粒悬浮液流入或流出通道的流速在至少一秒的周期内大于kq*s
3/2
ml/s，其中kq等于1/3ml/s/mm3，并且s是以mm2表示的通道的平均横截面。
40.根据一个实施例，使颗粒悬浮液流入或流出通道的步骤是通过在通道中施加相反方向的流动脉冲来进行的，每个脉冲的持续时间为至少一秒且流速大于kq*s
3/2
ml/s，其中kq等于1/3ml/s/mm3，并且s是以mm2表示的通道平均横截面。这样的流动脉冲使得可以维持颗粒处于悬浮状态或提高悬浮液的均匀性，甚至对于通道中悬浮液的较长处理周期或较长停留时间也是如此。
41.定义
42.在本发明中，下列术语具有以下含义：
43.‑“
纵向纤维”是指所考虑的流体元件的中心纵向轴线，或者当流体元件的纵向轴线没有明确定义时，指流动操作期间流体元件中的流动方向。
44.‑“
横截面”是指垂直于所考虑的流体元件的纵向纤维的所考虑流体元件的横截面。
45.‑“
标准流体阻力”在本公开中是指所考虑流体元件在20℃、大气压力(1bar)下以10μl/s的流速所测量的水流的流体阻力。它被定义为沿流体元件截面的压力差与通过同一流体元件的流速之间的比率。对于层流中的圆柱形通道并且根据泊肃叶定律，流体阻力为：其中μ是动态粘度，l和r是圆柱形通道的长度和半径。流体阻力是流体元件的固有特性，在给定流体和层流条件下完全由流体元件的几何形状限定。
46.‑“
平均横截面”是指通过计算v/l的值来确定的所考虑流体元件的横截面，其中v是流体元件的体积并且l是其纵向纤维的长度。
47.‑“
代表直径”是指流体元件的直径，计算为所述流体元件的平均横截面的平方根的两倍除以pi。
48.在不存在任何其他规格的情况下，针对所有参数测量而言的环境温度为20℃并且环境压力为1bar。更普遍地，除非另有说明，针对所有参数测量而言均假定为上述普通条件。
附图说明
49.本发明的特征和优点将从下文对根据本发明的用于处理颗粒悬浮液的设备和方法的实施例的描述中变得显而易见，该描述仅作为示例并参考附图给出，其中：
50.图1是根据本发明的实施例的设备的侧视图和横截面，其中通道以线圈的形式压实。
51.图2a至2d是根据本发明的实施例的被配置为使用空气作为驱动流体的设备的视图。
52.图3a至3c是根据本发明的实施例的配备有驱动液体和流体驱动垫片的设备的视图。
53.图4是根据本发明的实施例的设备的横截面，该设备是双线圈均化设备。
54.图5是根据本发明的高容量实施例的包括多个通道的设备的侧视图，每个通道都以线圈的形式压实。
55.图6是根据本发明的一个实施例的提高颗粒悬浮液的温度控制的设备的侧视图和横截面。
56.图7是根据本发明的高容量实施例的包括多个通道的设备的侧视图，每个通道都以之字形图案的形式压实。
具体实施方式
57.一般颗粒悬浮液处理(图1)
58.根据本发明的设备包括通道1，通道1具有内部体积v和通道的纵向纤维长度l。在一端处，通道1终止于入口11，并且在通道另一端处，通道1终止于出口12。在沿通道长度方向的任何给定点处，通道1具有表面积为s的横截面、对应于相同横截面中两点之间最大距离的直径d和以s/d计算的尺寸h。
59.在有利的实施例中，体积v大于10μl以允许处理足够数量的颗粒悬浮液。注意的是，通过改变填充的程度，可以用该设备来处理小于通道总体积的体积。
60.在图1所示的实施例中，设备的通道1呈现出紧凑的盘绕结构，使得通道的长度l比由通道所占据的体积的两点之间最大距离大得多，即至少大两倍。通道的压实对于人体工程学来说是必要的。实际上，通道长度l通常相比于例如操作者的手的尺寸大。通道的压实也降低了缠绕或碰撞的风险。
61.悬浮液粘度、流速和其他条件不应导致产生泄漏或渗透风险的过大压力。尤其是，通常应避免高于10bar的处理压力并且通道的标准流体阻力应小于10
13
pa.s/m3，因为大多数颗粒悬浮液比水更粘稠并且流速大于几μl/s通常是必要的，尤其是为了引起强烈的惯性升力效应。通常优选较低的标准流体阻力值。例如，半径为1mm且长度为10m的管状通道具有大约2.5 10
10
pa.s/m3的流体阻力是合适的。半径为0.1mm且长度为10m的管状通道具有大约为2.5 10
14
pa.s/m3的流体阻力是不合适的：在设备中无法控制置换颗粒悬浮液所需的压力。
62.此外，仔细选择通道横截面以便在应用的流速下提供有利的效果，并且尤其是在施加流动时惯性升力效应优于沉降效应，以便实现悬浮液的高性能处理。惯性升力效应优于沉降效应是至关重要的，因为在其他情况下，由于沉降，大部分颗粒在容器壁附近移动，在该容器壁附近由于局部较低的流动速度，大部分颗粒的速度缓慢，并且尤其是比平均流速慢得多。由于大部分颗粒的移动速度比平均流速慢得多，因此在流动期间，悬浮液的介质的颗粒通常所剩无几，导致在颗粒回收方面的重要产量损失。此外，所回收的悬浮液均匀性也会受到影响。为了实现高转移性能，本发明依靠预测模型以确保在转移过程中惯性升力效应比沉降强得多。使用从已发表的研究文献中得到的两种力的估计值，可以推导出一个公式，该公式近似于在恒定圆形横截面中球形颗粒上的惯性升力的典型量级与沉降力的典型量级之间的比率。该公式(1)是：
[0063][0064]
<f
l
>是惯性升力的典型量级，||f
s
||是沉降力的典型值，k是无量纲常数，ρ
m
是悬浮液介质密度，q是体积流速，r
p
是悬浮颗粒的半径，g是重力加速度或等效加速度，d
h
是横截面直径，δρ是颗粒与悬浮液介质的密度差。
[0065]
从上面的公式(1)能够看出，横截面直径是影响最大的参数，使得调整横截面尺寸是增加相对于沉降力的惯性升力量级的最有力的方法。此外，能够看出其他方法，例如减少悬浮液介质与颗粒之间的密度差的方法效果要差得多。公式(1)还示出，导致惯性升力效应占优势地位的较小圆形通道横截面与导致沉降占优势地位的较大圆形通道横截面之间存在突变过渡。这表明通道横截面直径的最大值可以使惯性升力获得优势地位。此外，公式(1)中横截面直径、流速和颗粒大小的幂比值表明为了具有比沉降更强的惯性升力，横截面直径的最大值相对于流速和颗粒半径的变化更强健。
[0066]
例如，如果通道的直径选择为液压直径的一半，其中公式(1)的比值等于1，在给定的应用中，公式(1)的比值等于1/64，意味着惯性升力比大约是沉降力的64倍。如果设备用于相似应用中，流速为两倍，则比值等于1/16，并且惯性升力仍然占主导地位。如果设备在原始流速下使用，颗粒尺寸为两倍，则比值等于1/32，并且惯性升力在此处仍然占主导地位。总之，如果将通道的直径选择为“临界”直径的分数，如十分之一、四分之一、三分之一或二分之一，根据公式(1)在所考虑的应用中在同等强度的沉降力和惯性升力下，这导致惯性升力效应将不仅在所考虑的应用中，而且在具有不同流速和不同颗粒大小的大范围应用中都比其他效应强得多。
[0067]
因此，可以通过数值确定并通过实验确认横截面范围，这些横截面为各种应用提供了惯性升力效应的强大优势。该范围的下限由以下设定：
[0068]
‑
确保不存在堵塞风险，即横截面不应包含平行边缘间隔小于颗粒半径三倍的区域；
[0069]
‑
确保剪切速率不太可能对颗粒造成损害；在细胞悬浮液的情况下，通道的大部分上的剪切速率应保持小于106s
‑1，并且整个通道中优选小于105s
‑1；
[0070]
‑
确保湍流不太可能对颗粒造成损害；在活细胞悬浮液的情况下，kolmogorov长度应保持远大于在通道的大部分中的细胞直径，理想地为远大于在整个通道中的细胞直径；
[0071]
‑
确保流体阻力不会太高。
[0072]
为了在典型应用流速下处理典型颗粒悬浮液，为稳定地提供与沉降效应相比占优势地位的惯性升力效应，通道的平均横截面应为0.1mm2至9mm2，优选为0.1mm2至4mm2之间，更优选为0.1mm2至2mm2。
[0073]
具有明显大于平均横截面的横截面的通道1的大部分区域被限制为通道长度的最小可能部分和与平均横截面的最小可能差异。事实上，在允许通道的其他部分中有强大的惯性升力和再悬浮效应的流动条件下，具有明显大于平均横截面的横截面的通道区域可能不具有足够强大的近壁剪切速率和颗粒上的惯性升力以有效地回收颗粒。除了代表潜在的粒子陷阱外，这种区域能够导致气泡形成或捕获的风险增加，并且给冲洗这些区域的子体积带来困难，从而导致交叉污染或不期望的混合的风险。
[0074]
为了有效地限制这些问题，通道体积不应包括代表通道体积v的5％以上的具有大于整个通道平均横截面四倍的这种段的平均横截面的任何段。优选地，通道体积不应包括代表通道体积v的1％以上的任何段，特征在于该段的平均横截面大于整个通道的平均横截面的四倍。
[0075]
与虚拟水平面的角度相对较小的通道的纵向轴线或纵向纤维的定向维持在通道长度的最大可能部分上。本发明的该特征通过在设备使用期间将虚拟水平面与实际水平面对齐，并且相对于重力和类似力重叠，来使沉降力的方向与通道横截面成较小的角度。由于通道横截面的减小，这限制了可能发生沉降的高度，因此，值得注意的是，由颗粒沉降和再浓缩引起的颗粒积累和聚集的风险与初始颗粒浓度和发生沉降的高度有关。
[0076]
当通道纵向纤维与沉降力方向对齐时，沉降高度的增加与通道纵向纤维方向与垂直于沉降力方向的平面，即水平面之间形成的角度的切线相关；那么，通道与水平面之间的角度应该尽可能不沿通道长度方向，且大于75
°
，这将导致约为3.7的正切函数值，这意味着局部沉积高度约为横截面最小尺寸的3.7倍，如果通道具有圆形横截面，或者如果通道定向被调整为具有与竖直轴线对齐的横截面的最小尺寸，则该局部沉积高度是给定横截面的沉降高度的最小值。因为在实践中，设备的虚拟水平面的水平对齐的公差优选为5
°
或更大，优选的是，在通道长度的最大可能部分上，通道纵向轴线与虚拟水平面之间的角度小于70
°
。尤其是，能够估计在至少50％的通道长度上，通道纵向轴线应与虚拟水平面形成小于70
°
的角度。优选的是，在可能的情况下，将与虚拟水平面的角度保持在最大值以下的部分最大化为更大的值，并且在可能的情况下，将该域上的该角度的最大值最小化。
[0077]
在一些优选的实施例中，通道承受比环境压力高至少0.5bar的水增压。这在功能上很重要，因为0.5bar的增压是在普通操作中会获得的，使得这种增压不应导致通道壁上的破裂或重要的渗透，以避免溢出风险和悬浮液改变的风险。尤其是，在这种增压条件下，泄漏或渗透的流量应低于充满水的总通道体积的每ml 60μg/min。此外，优选地，这种增压不应该导致通道体积v的变化大于v的10％，以避免由于这种体积变化而损失悬浮液处理的精确度。最重要的是在设备使用期间不发生塑性变形或疲劳，以避免在测量基于界面位置的置换体积时出现明显的精度损失。因此，在优选实施例中，使用期间(即在使用压力下)的管变形率应该远小于材料的屈服变形率，并且应该选择具有非常低的，理想情况下没有粘性特性的弹性行为的材料。
[0078]
通常优选耐高压、增压下较低的泄漏或渗透流速以及增压期间通道体积的较小变化。
[0079]
本发明的另一个特征是提供维持在颗粒悬浮液与驱动流体之间的界面，该界面占据通道中未被颗粒悬浮液占据的剩余体积的其余部分或至少一部分。在本发明中需要驱动流体的存在，因为通道的压实导致由于通道壁上的摩擦力随着压实导致的通道方向的改变而迅速累积从而不可能使用类似于注射器活塞的柔性活塞来驱动流体运动。维持驱动流体与颗粒悬浮液之间的界面是必不可少的，以避免由速度分布引起的混合所导致的颗粒悬浮液的稀释、混合或交叉污染。事实上，在没有这种界面的情况下，流向通道横截面的核心部分的流动更快，驱动流体与颗粒悬浮液之间会发生对流混合。为了允许维持该界面，尤其是当颗粒悬浮液流动时，优选通道的横截面不变化或沿通道的长度方向连续变化。尤其是，优选在通道长度的最大可能部分上具有恒定的横截面。同样优选的是，通道的横截面具有平
滑的边缘，并且不包括小于60
°
的内角，以便降低混合和交叉污染的风险，混合和交叉污染的风险涉及表面张力或更普遍的驱动流体或颗粒悬浮液成分与通道壁的粘结。
[0080]
压实支撑件或固定件
[0081]
在实施例中，通常优选地使用支撑件14来支撑压实的通道部分，例如能够使用刚性圆柱体件，并且与例如由管制成的通道胶合在一起。例如，管也能够胶合成管压实的形状，用胶水保持其形状。管也能够盘绕在具有圆柱形或其他符合人体工程学的外边缘的容器内。管也能够借助于有规律地间隔的夹子固定到支撑件上。在其他实施例中，通道由一个或多个刚性有界部件形成，尽可能地抑制对固定件的需要。这样的维持通道形状的手段增加了设备的人体工程学，尤其是通过避免通道意外解压的风险。此外，维持压实通道的部分的布置使流动发生的几何形状标准化，并且因此影响转移的几何相关效应，例如流动图案和相对于通道定向的沉降力定向也被标准化。
[0082]
压实重复图案
[0083]
在本发明的实施例中，通常优选的是，通道部分以周期性重复的图案被压实，例如以具有水平段重复的缠绕或之字形图案重复循环来压实，该水平段在其末端处通过弯曲来连接。虽然在这种情况下周期性重复精确度不需要完全准确，但应特别在曲率半径方面寻求重复部分的最佳相似性。事实上，压实图案的重复使得悬浮液流动条件，尤其是关于dean流和沉降方向的悬浮液流动条件，在悬浮液沿通道行进期间反复相似。结果，悬浮液在设备中的行为被简化，并且处理更加均匀，因为穿过更大通道长度的悬浮液的部分与穿过该长度的更小部分的悬浮液的部分不会经历不同流动条件。在这方面，优选地，重复图案覆盖通道的最大可能长度，并且图案本身在通道长度上重复尽可能最多的次数，尤其是在重复图案包括管与虚拟水平面的曲率或方向变化的情况下。尤其是，在一组优选的实施例中，通道1利用占通道长度的至少一半，优选地占通道长度的至少四分之三的重复的图案来压实。此外，在一组优选的实施例中，通道1利用重复的图案来压实，其中压实图案在通道长度上被重复至少4次，优选地在通道长度上被重复至少8次。
[0084]
曲率半径
[0085]
在实施例中，通常优选设备在应用的流速和其他条件下允许dean流的最大可能量级。实际上，dean流提供了颗粒悬浮液的混合，这有利于增加或维持细胞悬浮液的均匀性。为了增加dean流的量级，通道1中间纤维的曲率半径
‑
这是通道压实的特征
‑
被最小化。取决于通道材料和制造手段，通道中间纤维曲率半径通常具有最小值，该最小值表示为通道代表直径的倍数。此外，发现曲率半径的极值增加了给定体积的设备的压实复杂性，这增加了制造复杂性和成本。在一些优选实施例中，通道1在其长度的至少10％上具有小于通道代表直径的30倍的曲率半径，优选小于通道代表直径的20倍的曲率半径，并且更优选小于通道代表直径的15倍的曲率半径。
[0086]
根据颗粒悬浮液特性，可能需要避免曲率半径过低，以避免与离心流相关的沉降力变得比惯性升力更强。这些力之间的比率的估计能够使用公式(1)通过将g替换为离心加速度g
cent
推导出来，离心加速度g
cent
能够从公式(2)推导出：
[0087]
[0088]
其中k
h
是主要取决于通道横截面的形状的无量纲常数，q是流速，r
c
是通道的局部曲率半径并且d
h
是通道的液压直径。
[0089]
因此，能够通过将公式(1)中的g替换为公式(2)中获得的g
cent
表达式来推导出公式(3)：
[0090][0091]
其中<f
cent
>是离心沉降力的值。从公式(3)注意到，根据该估计，流速对由离心流和惯性升力引起的沉降平衡没有直接贡献，从而突出了正确设计设备的重要性。还能够注意到，减小液压直径会增加惯性升力作用的相对重要性。
[0092]
使用公式(3)，可以检查惯性升力效应保持优势地位的参数范围。可以确定，当r
c
比d
h
大时，惯性升力在大范围应用中占优势地位。还可以确定，当r
c
大于d
h
的两倍时，惯性升力在更大范围应用中占优势地位。此外，当r
c
大于d
h
的五倍时，惯性升力在大多数应用中占优势地位，并且当r
c
大于d
h
的十倍时，惯性升力在几乎所有应用中占优势地位。
[0093]
因此，在优选实施例中，在大部分，即至少50％的通道长度上施加等于横截面直径两倍的最小曲率半径。优选地，在大部分，即至少50％的通道长度上施加通道直径的5倍，更优选通道直径的10倍的最小曲率半径。
[0094]
清洁度、包装和无菌
[0095]
在实施例中，通常优选的是设备上没有易于污染经处理颗粒悬浮液的颗粒残留物。因此，在一些优选实施例中，设备的通道是清洁的，并且尤其是，使得当利用与通道同体积的20℃的水在0.5bar下冲洗设备的通道时，在回收的冲洗水中，每μl能够测量到小于1个直径大于10μm的颗粒。在一些优选实施例中，通道1是无菌的。为了有利于在使用前维持设备的清洁或无菌，设备包装在密封容器，例如热焊接的不透水塑料袋或热焊接的高压灭菌袋内。为了有利于进一步维持设备清洁度，本发明的设备可以包含可热封的管端；和/或可以配备盖；和/或可以配备可擦拭阀或其他类型的隔片(隔膜)；以便允许至少密封与设备的通道1的输出12连接的设备流体端口。在尤其有利的实施例中，与设备的通道1的输出12连接的流体端口配备有可擦拭阀和不引起所述可擦拭阀打开地保护所述阀的盖的组合。例如，能够使用没有阀杆的卢尔锁盖。
[0096]
图1示出了一个具有圆柱体件的基本实施例，该圆柱体件用作支撑件以维持由管制成的通道1的压实部分的形状，圆柱体件与管通过胶合来附接。由聚合物制成的具有圆形横截面和恒定厚度的管具有内腔。通道纵向纤维与虚拟水平面之间的角度在通道长度的大部分上保持小于5
°
，在该图中的虚拟水平面对应于图纸的水平轴线。
[0097]
预填充颗粒悬浮液的实施例
[0098]
在一些实施例中，通道1预填充在具有为1μm至200μm颗粒直径的颗粒悬浮液的段上。该实施例在许多情况下是有利的，例如将颗粒悬浮液传输到远程位置。在这样的情况下，设备通过限制颗粒聚集的风险来稳定颗粒悬浮液。此外，由于悬浮液输出期间的强大惯性效应，设备增加了回收产率。设备的输出可能比利用传输颗粒悬浮液的普通设备更均匀，并且在提供均匀填充方面，它可能比在常规混合方案之后可实现的更均匀。因此，在一些情况下，设备允许立即和准确地使用，并且尤其是对悬浮液中的颗粒进行定量，其减少了对处
理悬浮液、控制悬浮液质量以及对调整或确认传输剂量的措施的需求。在一些实施例中，悬浮液的颗粒包括活细胞、红细胞、血小板或它们的聚集体。在一些优选实施例中，通道体积的剩余部分(未被颗粒悬浮液占据)被用作驱动流体32的气体混合物占据。
[0099]
配备使用空气作为驱动流体的实施例(图2a至2d)
[0100]
本发明的一个方面是驱动流体32的使用和界面2的维持以避免颗粒悬浮液31与驱动流体32之间的混合和交叉污染。在本发明的范围内如上所述的一种方法是使用气体混合物作为驱动流体32并且使用颗粒悬浮液31与驱动流体32之间的悬浮液/气体界面作为界面2。这种方法特别有利，因为方法实现相对简单、具有在通道中驱动流体32与颗粒悬浮液31的相邻末端之间的低差降的压力传输效率、不存在由界面本身引起的磨损、以及有效限制颗粒悬浮液31污染的潜力。
[0101]
在这些实施例中，颗粒悬浮液31通常比气体混合物32密度更大，因此发现在使用期间，通常优选将设备竖直定向，其气体混合物32在颗粒悬浮液31上方，尽管本发明可以在其他布置中起作用。还发现优选管的横截面相当地小以获得在操作过程中稳定的界面，并且尤其是尽管在重力或可能使界面2不稳定的其他加速力的情况下获得稳定。然而，发现在上述推荐的范围内的横截面通常满足上述目的。
[0102]
在这些实施例中，需要确保界面2处的表面张力不会导致界面2两端的拉普拉斯压力差过大，这会导致操作困难或不能操作。因此必须调整颗粒悬浮液介质与通道壁之间的表面化学亲和力，以及通道横截面，并且尤其是直径。
[0103]
在这些实施例中，需要确保设备不会受到可能使界面2不稳定的过度振动。在振动环境中,在设备固定件中可以使用震动阻尼装置，例如弹簧和阻尼器。然而，在通常的使用条件下没有发现由于振动引起的界面2的不稳定。
[0104]
在这些实施例中，在颗粒悬浮液流动期间必须有利于液体
‑
气体界面沿通道长度的移动。尤其是，在一些优选实施例中，与通道代表直径相比，通道表面是光滑的，即通道表面粗糙度ra小于通道代表直径的十分之一，并且优选小于通道代表直径的5％。在一些优选实施例中，在共同占通道长度的至少一半的一组段上，通道的横截面沿通道长度是连续的。
[0105]
在这些实施例中，气体混合物的可压缩性是优点和缺点的来源。能够发现可压缩性有利地抑制了较小的流速波动并且通常使流速分布平滑，这在许多应用中是有利的。然而，取决于通道的输出12与什么连接，气体流速的可压缩性能够产生不期望的流动，并且尤其是回流的风险。气体混合物的可压缩性能够通过增加操作压力，并且尤其是驱动流体32的压力来降低，以具有更硬的致动。在某些实施例中，通道输出12能够经由单向止回阀与特定端口连接以避免回流；在这种情况下，实现细节例如与通道输出12连接的第二端口可以用来利用悬浮液填充通道1。然而，这种实施例可能具有明显的缺点，其包括在止回阀体积中的细胞损失，止回阀通常具有相对较大横截面。在这种实施例中，应该使用其横截面与通道1的横截面尽可能匹配的止回阀。界面位置或置换体积上的反馈回路是弥补这种缺陷的优选解决方案。
[0106]
使用气体混合物作为驱动流体32同样能够产生一些与颗粒悬浮液介质的一部分蒸发到驱动流体中以及气体混合物的气体在悬浮液中的溶解有关的不便。虽然通常不会明显地遇到这些问题，但可以调整气体混合物的成分及其压力以减少这些交换。例如，在颗粒的水性悬浮液的情况下，可以发现有利的是，气体混合物包括一部分水蒸气以降低水从颗
粒悬浮液蒸发到驱动流体中的程度。在相同的情况下，可以小心地使用水蒸气饱和的气体混合物，以免在操作过程中，悬浮液外形成水滴，或者将气体混合物的过量水蒸气冷凝到颗粒悬浮液中。此外，可以选择气体混合物的其他化合物，例如，因为所述化合物在悬浮液介质中的溶解度较低。
[0107]
为了减少这些交换，可以在通道中插入由界面俘获颗粒件21组成的流体驱动垫片22。使用颗粒表面与悬浮液介质的不对称化学亲和性，例如在水性悬浮液的情况下，颗粒具有比颗粒表面的其余部分更疏水的表面片，界面俘获颗粒21可以稳定在界面2处。作为变型或组合，可以调整界面俘获颗粒21的密度，例如使用空心颗粒，以使其漂浮在界面处并因此稳定在界面处。因此，所述界面俘获颗粒21可以减小流体气体交换界面的表面积，尤其是在静止时间期间，并且因此减少驱动流体与颗粒悬浮液之间可能发生的交换。因此，在一些实施例中，通道1包括由界面俘获颗粒21制成的这种垫片22。
[0108]
在这些实施例中，进出通道1的气体混合物的流动不应成为污染颗粒悬浮液的风险来源，例如灰尘或特定类型的空气传播颗粒。为了避免所述风险，在本发明中提出了几个实施例：
[0109]
在一组实施例中，通道1的输入11与过滤器51，例如无菌过滤器连接，过滤器特征在于标称孔直径小于1μm，优选小于0.5μm，并且更优选为小于或等于0.2μm。优选过滤器51是疏水的。由于过滤器51，进出通道1的驱动流体在颗粒污染风险方面上安全地发生流动。此外，所述过滤器51的另一末端能够与气泵或压力控制器61，尤其是电气或电子控制的可重复使用的气泵连接，以允许设备的使用至少部分自动化并且有利于控制流速和控制传输体积。将泵或压力控制器与通道1分开的过滤器是尤其有利的，因为清洁和/或消毒与被泵送流体接触的泵或压力控制器的部件通常是复杂的。
[0110]
在一组实施例中，通道1的输入11与流体密封袋或注射器连接，以允许进出通道1的驱动流体3从独立的隔室移动到独立的隔室，从而减少颗粒污染风险并有利于设备作为所谓的封闭系统来操作。
[0111]
配备驱动液体的实施例
[0112]
在一些实施例中，例如为了提供更大的刚度以控制颗粒悬浮液的流动，选择液体作为驱动流体。
[0113]
在这些实施例的一些中，驱动液体与颗粒悬浮液介质不可混溶，并且颗粒悬浮液介质和驱动液体成分在彼此中具有较低的溶解度。在这些情况下，例如当驱动液体是油，例如氟化油，并且颗粒悬浮液例如是水性的时，界面2能够由驱动液体32与颗粒悬浮液31之间的界面简单地形成。在这种情况下，类似的调整，例如将通道的输入与注射器、袋或可能与泵连接的过滤器连接，提供了有用的保护以防止驱动流体将污染物输入到通道中或颗粒悬浮液中的风险。这些实施例的应用范围能够受到使用油时获得的更高液压和由此产生的高操作压力的限制。在这些实施例的一些中，根据本发明的通道1至少部分地填充有油混合物，油混合物的特征在于在20℃时在水中的溶解度较低，即小于10mg/l。
[0114]
配备驱动流体和垫片的实施例(图3a至3c)
[0115]
在一些情况下，驱动流体与悬浮液介质的混溶性或驱动流体的化合物在颗粒悬浮液中的溶解度或颗粒悬浮液的化合物在驱动流体中的溶解度是明显的或代表颗粒悬浮液改变的风险。为了弥补这些问题，本发明的设备在某些实施例中包括增加驱动流体32与颗
粒悬浮液31之间的间隔的流体驱动垫片22。在这种实施例中，垫片的几何形状应该与通道1，尤其是弯曲部的几何形状相互兼容，在弯曲部的范围上应该避免过大的垫片长度。此外，在这些实施例中的任一个中，在操作期间，尤其是由摩擦力引起的在垫片22两端的驱动流体32与颗粒悬浮液31之间的压力差应该相当低以避免过高的操作压力并减少滞后以有利于设备控制。尤其是，在这些实施例中，当垫片两侧的流体为水并且对应于垫片移动的流速为10μl/s时，垫片22两端的压力差应低于0.5bar以确保设备的实际可用性。此外，在这些实施例中的任一个中，发现优选的是，防止垫片在通道1内的旋转导致垫片在纵向轴线上的末端从一侧移动到另一侧以避免垫片的对应表面连续地暴露到驱动流体32和颗粒悬浮液31，以便减少驱动流体与颗粒悬浮液中的两个之间的相关污染风险。为此，尤其有可能的是，垫片具有沿通道纵向轴线稍微细长的形状，以防止垫片围绕垂直于通道纵向轴线的轴线完全旋转。
[0116]
在一些实施例中，可移动垫片22在颗粒悬浮液31与驱动流体32之间形成松弛密封223。这些实施例在驱动流体32与颗粒悬浮液31之间提供了不完全的分离，但是它们更容易地制造，并且与紧密密封的情况相比，通常包括在可移动垫片22两端更低的压降。在这种情况下，垫片的横截面需要至少在通道区域中小于通道的横截面，垫片旨在在通道区域中移动。应该仔细调整垫片的横截面以提供最佳的密封，尤其是垫片横截面应尽可能地接近垫片旨在移动的区域中的通道的横截面。
[0117]
在其他一些实施例中，可移动垫片22在颗粒悬浮液31与驱动流体32之间形成紧密密封222。在这些实施例的一些中，紧密密封是在至少一个o形环或垫圈221的帮助下形成的，优选地在沿垫片的纵向轴线连续定位的两个o形环或垫圈的帮助下形成的。这些实施例能够是有利的，尤其是当通道壁相当坚硬时。o形环和具有相当多种类的材料和几何形状的更普遍垫圈的可用性有利于根据这些实施例的设备的制造。在其他一些实施例中，由于通道1的壁的变形从而形成紧密密封，该通道1的壁的变形是由垫片22的存在产生的。这种实施例的制造可能更具挑战性，因为它们对通道和垫片的几何形状都需要相对较高的精度以在操作期间实现紧密密封而不会在垫片22上产生过大的压降，但所述实施例提供了一个重要的优势，因为磨损分布在通道壁的表面上的通道长度上，而不是集中在o形环或垫圈的表面上，这增加了由垫片22形成的密封件222的耐用性和可靠性。
[0118]
配备体积刻度的实施例
[0119]
如上所述，本发明有利于颗粒悬浮液及其处理的均匀性，从而允许在颗粒悬浮液的处理中，并且尤其是在传输颗粒剂量方面具有更好的精确度。为了进一步提高精确度，用于控制颗粒悬浮液的置换体积或颗粒悬浮液的流速的嵌入装置是有利的。
[0120]
在一些情况下，本发明由操作员手动使用，并且简单视觉检查允许以快速的方式来估计颗粒悬浮液的置换体积。这种情况包括例如生物工程细胞的手工制造步骤。在一些实施例中，这通过通道壁材料的半透明或透明来实现，以允许跟踪颗粒悬浮液与驱动流体之间的界面2，并且通过在通道的外表面上提供体积刻度，例如线和数字来实现。因此，在一些实施例中，通道由透明或半透明材料制成并且设备包括沿通道长度的至少五个体积刻度。
[0121]
需要强调的是，在许多实施例中，例如使用市售管形成通道1的那些实施例中，经常发现对于仅基于沿通道长度的线性测量和基于通道标称横截面的计算的体积刻度而言
所得通道尺寸精确度不足。相反，基于界面位置的任何体积测量依赖于预先执行的专用校准是优选的并且通常是必要的。在上述实施例中，应基于专用的体积校准程序来建立体积刻度。
[0122]
另外强调的是，为了在本发明的所有使用情况下提供体积置换的准确测量，通道1在使用期间尤其是由于压力变化应当经受其内部体积的相对较小的变化。通道尤其应该足够坚硬或有弹性以避免在加压或减压后出现不可逆的内部体积变化。管的材料应选择为使得其机械性能和尺寸在使用条件下不会因化学相互作用、膨胀或溶解以及不会因颗粒悬浮液或驱动流体的化合物而发生明显改变。此外，颗粒悬浮液的置换体积的测量应该在应用中在尽可能低的压力值下执行，并且通道1应该优选是坚硬的，以避免在工作压力下发生明显的体积变化。提供可逆形变，这些形变对测量精度的影响能够通过在多个内部压力下对恒定的外部压力进行校准，或根据内部和外部压力差来改善。
[0123]
在一些应用中，如上所述，在界面2处存在垫片22。在这种情况下，通过跟踪在视觉上更容易识别的垫片22能够有利于置换体积和流速的监测。为此，颗粒21或垫片22的可见性可以例如通过具有如白色表面或光反射表面的明亮表面来提高。
[0124]
配备用于跟踪界面置换以监测并控制置换体积和流速的跟踪系统的实施例
[0125]
在一些其他情况下，还需要比手动操作所能实现的更高的颗粒悬浮液31置换体积精确度或流速精确度。
[0126]
在这种情况下，由于例如从校准操作中所得出的对通道横截面的了解，使得沿通道长度的界面2的位置代表了置换体积，鉴于大多数颗粒悬浮液基本上是不可压缩的或在相对较低的压力下处理的事实，本发明尤其适合获得比普通处理悬浮液手段更好的精确度。对于这些特定情况，提出了根据本发明的具体适用实施例，其中对颗粒悬浮液置换体积或流速控制进行辅助。
[0127]
在这些实施例中的一些中，通道1可以与泵或压力控制器61连接，该泵或压力控制器能够准确且迅速地施加特定压力或流速或准确地移动特定体积。
[0128]
然而，这种解决方案并不总是适用或非常适合的，例如在使用气体混合物作为驱动流体32的情况下。在这种情况下，发现设置跟踪系统62是有利的，该跟踪系统用于直接地或者经由识别界面俘获颗粒21或垫片22的位置来跟踪界面2位置。使用对通道1的横截面的了解，该跟踪系统62能够用来确定颗粒悬浮液的流速和置换体积。
[0129]
在一些实施例中，该跟踪系统62由具有一个或几个照相机或其他类型的光传感器的光学系统来实现，以允许光学检测界面2、界面俘获颗粒21或垫片22。在实现使用界面、俘获颗粒21或垫片22的实施例中，有利的是，所述颗粒21或垫片22可适于产生尤其可识别的视觉信号，例如借助于例如用荧光涂层或基底涂层获得的荧光，例如用无线供电的发光二极管获得的光发射，或反射特性如镜面或反射折射表面。
[0130]
在一个实施例中，通道1形成在具有折射率优选与颗粒悬浮液折射率接近的透明材料中。在该实施例中，可以在特定角度下照射通道以根据通道1的给定点处是否存在颗粒悬浮液31来提供由通道和颗粒悬浮液31对入射光线的折射的差异，在这种情况下，入射光线折射的所述差异可以通过跟踪系统62来检测以确定在通道1的相同点处通道中是否存在颗粒悬浮液31。在这种情况下，界面2的检测可以例如通过检测光折射图案对应于通道1由颗粒悬浮液31填充的区域的界限来识别通道1中被颗粒悬浮液31占据的部分的界限从而来
执行。
[0131]
在一些实施例中，通道纵向轴线在通道长度的大部分上保持在一个平面中，使得一个成像设备允许在其焦平面中对通道的大部分进行成像。在这样的实施例中，成像设备的焦平面和成像场与由通道纵向轴线长度的大部分所占据的平面区域重合。
[0132]
在一些实施例中，在该平面区域与成像设备相对的一侧上，例如借助于led阵列或如lcd屏幕的显示屏来执行通道的照明。在这样的实施例中，显示在屏幕上的具有如通道长度的投影的特定形状的图片或插入照明源与通道之间的具有如通道长度的投影的特定形状的掩模，能够有利地相对于成像设备选择性地照射通道的背面以便提供更易于解释的信号。
[0133]
在其他一些实施例中，通道的照明是从通道的纵向轴线平面中的与成像相同的一侧执行的。在这些实施例中，通道的照明优选地在相当低的入射角下照射通道以最小化朝向成像设备的直接反射，通常发现该直接反射会降低通道可读性。然而，这种入射角相对于通道尺寸和间距不应太小，以避免通道的相邻部分之间出现过多投射阴影。
[0134]
有利的是，在这样的实施例中，照明能够包括以不同角度定位的不同颜色源，例如在基本垂直的方向上照射通道的红色和蓝色源。提供匹配照明颜色(例如红色、绿色和蓝色)的多色成像设备的使用，不同的通道允许增加信号的可解释性。实际上，在这样的实施例中，当照明轴线与通道纵向轴线基本垂直时，填充有颗粒悬浮液与驱动流体的通道区域之间的对比度通常更大。通过在基本垂直的角度上具有两个不同的独立照明，尽管通道长度的方向发生变化，仍可以在成像平面中定位的通道长度上具有良好的信号可解释性。
[0135]
在其他一些实施例中，跟踪系统62通过测量阻抗变化或与界面2的移动相关的另外的电或磁信号来实现。由于颗粒悬浮液与驱动流体的成分不同，阻抗测量可以例如对界面位置敏感。可替换地，界面俘获颗粒21或垫片22可适于产生阻抗或电信号或磁信号的这种变化。例如，俘获颗粒21或垫片22可包括电绝缘的、导电的、电感应的或电容的部分，或具有永磁场或抗磁、顺磁、超顺磁或超抗磁特性的部分。在这样的实施例中，适于对界面、界面俘获颗粒或垫片的阻抗、电或磁特性敏感的几个电子传感器作为跟踪系统62的一部分沿通道长度布置，以用于跟踪界面位置。包括使用几个传感器的信号进行插值和校准的数值处理可用来提高跟踪系统62的性能。
[0136]
在其他一些实施例中，跟踪系统62使用声学现象。有利的是，这些实施例相对便宜、紧凑且易于实现。
[0137]
一些实施例测量声波沿通道的传播时间。因为在颗粒悬浮液和驱动流体中提供不同的声速，所以该传播时间取决于通道1的填充情况。这种实施例可能不是优选的，因为声波反射在界面2、界面俘获颗粒21或垫片22上可能很强。
[0138]
其他一些实施例通过测量在界面2、界面俘获颗粒21或垫片22上反射的波的传播时间来执行回波定位。
[0139]
其他实施例还会对声学共振频率进行确定以推断界面2的位置；这样的实施例可以依靠声波传感器与其发射器之间的反馈回路来自动放大特定范围的共振频率。在这些实施例中，发现优选地利用主要发生在驱动流体中的声学现象，因为该声学现象对于具有不同特性的流体来说不会很频繁地改变，从而减少了重复校准的需要。
[0140]
在这些实施例的跟踪系统62中使用的声波发射器和传感器可以是独特的部件，例
如具有辅助电子设备的压电元件。
[0141]
在一些实施例中，颗粒悬浮液31的流速或置换体积的测量用来调整连接到通道1的输入11或输出22连接的泵或压力控制器61的指令。为此，在一些实施例中，该设备还配备有部件63，该部件与跟踪系统62电连接以用于跟踪沿通道长度的界面2的位置，并且该部件与所述泵或压力控制器61连接，其中所述组件63能够命令或调整泵的指令以获得更接近目标值的置换体积或流速。
[0142]
在配备有跟踪系统62的实施例中，通过专用程序，利用流速计或体积测量设备以及如精确容积泵或压力控制器的泵送单元可以执行体积的校准。例如，使用压力控制器在通道输入处施加恒定压力，同时由跟踪设备执行频繁重复的定时信号记录并且由体积测量设备或流速计执行定时测量。在流速计的情况下，时间积分用来获得两个时间点之间的置换体积。
[0143]
通过将跟踪设备信号记录与体积测量值相匹配，可以使用插值来补偿两种测量类型之间的小时间差，从而能够推断出每个跟踪系统信号记录之间的置换体积。通过对具有置换体积的跟踪设备连续信号记录的列表进行注释，与参考跟踪信号记录(例如执行的第一个信号记录)相比，每个跟踪设备信号记录都代表特定的置换体积。然后为了使用该系统来推断颗粒悬浮液的当前置换体积，能够使用例如使用距离计算和/或置换体积值的二分法的算法，在跟踪信号记录列表中找到与当前测量的信号最接近匹配的一个。跟踪设备的最接近的校准信号记录原则上近似地代表当前的置换体积。
[0144]
几个校准信号记录之间的插值能够用来进一步改进基于当前跟踪信号的置换体积推断。注意的是，所述系统的准确度能够通过颗粒悬浮液相对于校准期间使用的流体的特性变化而发生改变。在由于颗粒悬浮液特性变化导致跟踪系统信号差异较大的情况下，能够对上述方法进行改进，以使其更加的稳健。例如，能够调谐源的频率或波长的范围或值，或者能够修改信号以消除特定特征(例如消除特定时间和/或空间频率)，这些特征随颗粒悬浮液特性的变化而变化最大。仅保留跟踪设备信号的时间和/或空间频率的值或范围还能够有助于降低置换体积推断所需的处理能力和持续时间。
[0145]
双线圈均匀化设备(图4)
[0146]
在一些情况下，输入颗粒悬浮液的均匀性较差或不能确定，或者颗粒悬浮液的输出均匀性特别重要。这种情况包括例如在细胞和基因疗法的制造期间处理细胞悬浮液。在这些应用中，不准确的剂量能够是导致产量损失或过程持续时间增加的主要原因。对于这些应用，本发明提供了用于传输均匀的颗粒悬浮液的特别改进装置。在图4所示的实施例中，根据本发明的两个通道1在它们的输出末端12处连接到配备有至少三个流体端口，如t形接头或y形接头的的歧管41的流体端口412，使得歧管包括能够与另一个设备连接的至少一个输入/输出流体端口411。
[0147]
在一些优选实施例中，与歧管41连接的两个通道1在长度和横截面方面是相同的。在一些优选实施例中，两个通道1的特征还在于相似的压实图案。
[0148]
在这些实施例中，优选地减少歧管41的体积并且连接该歧管端口的其内部体积具有与通道1的横截面相似的横截面。
[0149]
在这些实施例中，输入/输出流体端口411允许利用颗粒悬浮液31填充一个或两个通道1，并且随后通过将颗粒悬浮液31在两个通道1之间在交替方向上流过歧管41来使颗粒
悬浮液均匀化。在这种操作过程期间，悬浮液31的颗粒速度分布的可变性，由于混合效应，例如由dean流引起的那些，导致颗粒悬浮液31在两个通道1的长度上均匀化。因为颗粒的平均速度可能高于或在更少的情况下低于平均流速，所以通过启动这种交替流动，随着置换体积占设备中的颗粒悬浮液体积的相对较大部分，例如占颗粒悬浮液31体积的80％，以及随后在置换颗粒悬浮液31体积方面降低这些振荡的幅度，从而提高均匀性。例如，置换体积可以每次振荡减少0.1％到10％。可以调整这些振荡的流速，尤其是有利于惯性升力效应的优势地位。此外，在均匀化操作的过程中可以改变流速。在这样的操作过程中，优选地维持悬浮液相对于歧管41平均居中，这有利于在均匀化化后从两个通道1中回收。这些均匀化操作可以重复，尤其是它们可以在每次从设备中输出颗粒悬浮液之前再现。在从设备中输出颗粒期间，悬浮液可以从一个或两个通道1中连续或同时回收。
[0150]
在这些实施例的一些中，至少一个泵或压力控制器61与通道1之一的输入11连接以驱动驱动流体32并驱动颗粒悬浮液31的流动以用于进行处理，并且尤其是均匀化操作。在这些实施例的一组优选实施例中，泵61通过孔直径小于1μm的过滤器51，优选地通过孔直径小于0.5μm的过滤器，并且更优选地通过约0.2μm的孔直径或小于0.2μm的过滤器，来与该泵连接的通道的输入分离。在这些实施例的一组优选实施例中，通道1的两个输入11都与泵或压力控制器61连接。
[0151]
在一些特定情况下，例如当精确数量的颗粒需要被传输到另一个容器或设备时，悬浮液颗粒剂量的精确度必须很高。在这种情况下，样本体积中细胞的统计涨落能够是颗粒剂量错误的关键来源。在这样的应用中，尤其是由于所述统计涨落，上述实施例可能证明不足以满足所需的精确度。因此，为了实现传输颗粒数量的这种精确度，根据一些实施例，设备可以还包括颗粒计数器，该颗粒计数器优选地定位为靠近默认在歧管41中的接收体积。这种颗粒计数器可以基于例如颗粒的光学检测。然后，泵、阀或控制颗粒悬浮液转移的其他装置的指令优选地由与颗粒检测器连接的控制模块完成，以调整传输体积以便尽可能精确地传输目标数量的颗粒。这种控制模块通常包括电子板，该电子板根据所检测的颗粒数量来控制泵或阀的指令。因为获得高惯性力所需的流速相对较高，所以可能需要特别快的处理器，例如fpga计算器，以使该控制模块响应足够快。此外，颗粒计数位点与转移目标容器之间的通道长度可用来创建足够长的指令响应帧。然而注意的是，所述通道长度增加了颗粒剂量的不确定性，因为颗粒在悬浮液中的移动相对地难以准确预测，并且因此不应该超过为计数和驱动提供足够延迟所需的长度。
[0152]
用于低温储存颗粒悬浮液的实施例
[0153]
在某些情况下，颗粒悬浮液31在低温下储存以稳定它们，这可能导致悬浮液介质冻结。这种情况的一个显著例子是细胞悬浮液的冷冻保存，这最常在包括一部分冷冻保护剂的悬浮液介质，通常是10％的dmso(二甲基亚砜)中进行。本发明为这些应用提供了特别的优势，尤其是由于聚集风险降低的事实，该聚集风险通常是这些应用中性能损失或可变性的常见来源。
[0154]
本发明提供了具体适用这些应用的实施例，以允许悬浮液的高性能处理以及控制悬浮液温度并维持较低储存温度的良好能力。
[0155]
在一些实施例中，当填充有10％的dmso(二甲基亚砜)水溶液时，通道1可以长期暴露在
‑
70℃下。这意味着，如果通道填充10％的dmso水溶液并在
‑
70℃下储存24小时，然后在
没有特别对流的情况下通过暴露在空气中(例如在20℃和1bar下)升温，则当使用高于环境压力1bar的相同溶液来加压时，通道随后不会泄漏或破裂。为了实现这种性能，通道1可以例如由壁厚至少为管内径一半的聚乙烯、ptfe(聚四氟乙烯)或fep(氟化乙烯丙烯)制成的圆形横截面管制成。
[0156]
在一些实施例中，当填充有10％的dmso(二甲基亚砜)水溶液时，通道1可以长期暴露在
‑
140℃下。这意味着，如果通道填充10％的dmso水溶液并在
‑
140℃下储存24小时，然后在没有特别对流的情况下通过暴露在空气中(例如在20℃和1bar下)升温，则当使用高于环境压力1bar的相同溶液来加压时，通道随后不会泄漏或破裂。为了实现这种性能，通道1可以例如由壁厚至少为管内径一半的聚乙烯、ptfe或fep制成的圆形横截面管制成。
[0157]
在一些实施例中，通道1的壁材料不会将可能包含在悬浮液介质中的dmso吸收到可能明显地改变对颗粒悬浮液，并且尤其是对细胞悬浮液的冷冻保护效果的程度。尤其是，这些实施例的特征在于，当填充10％的dmso水溶液时，在20℃下静置6小时后，回收的溶液在dmso中的浓度与10％相差小于1％。
[0158]
允许保护颗粒悬浮液免受污染的实施例
[0159]
在许多情况下，必须保护颗粒悬浮液免受污染，尤其是免受空气传播的污染。这在细胞悬浮液的情况下特别常见和重要。在这种情况下，重要的是提供手段以在转移期间保护颗粒悬浮液或密封通道体积以防止与环境接触。
[0160]
为此，在根据本发明的一些实施例中，设备的特征还在于通道至少在其输出12处是可热密封的，或者配备有一组盖和/或可擦拭阀和/或其他类型的隔片以允许至少关闭其输出12。在一组优选的实施例中，通道1还在其输入11处是可热密封的或配备有允许关闭其输入11的一组盖。
[0161]
为了保护颗粒悬浮液免受在设备填充颗粒悬浮液之前可能发生的污染，在一些实施例中，在密封包装例如孔隙率低于1μm，优选低于0.5μm，更优选低于0.2μm的热焊接袋43中清洁地预制设备。在这些实施例的一个子集中，设备在该包装43内通过伽马射线、蒸汽、环氧乙烷或任何其他合适的灭菌手段进行灭菌，随后可能进行中和或干燥步骤，然后交付使用。
[0162]
允许通过针转移悬浮液的实施例
[0163]
在一些情况下，需要通过针对颗粒悬浮液进行采样或传输。示例性情况包括从小瓶中转移或转移到小瓶中，该小瓶盖有旨在被针刺穿的密封件。在这种情况下，流速通常受限于针的小内径以及悬浮液粘度或其对剪切或湍流的敏感性。在这种情况下，尤其是由于流速降低时惯性升力较弱，沉降力通常是普通设备性能损失的来源。因此，本发明的比较优势在这些应用中是巨大的。
[0164]
因此，在具体适用这些应用的一些实施例中，通道输出12与内径为100μm至1mm的针连接。为了获得特别高的性能，针与通道1之间的流体路径上的体积不应具有比通道的平均代表横截面大得多的横截面，以避免在该体积中沉降效应占优势地位。因此，在一些优选实施例中，针与通道1之间的流体路径不包括占内部体积大于1ml的段，该段的平均横截面大于通道平均横截面的两倍，优选地这种段所占体积不超过250μl，并且更优选这种段所占体积不超过50μl，并且甚至更优选这种段所占体积不超过10μl。在这些实施例的一些中，发现将针附接到通道以形成刚性组件是有利的，以便显著地允许更容易地并且可能仅用一只
手来操纵设备以将组件维持在适当位置。在其他一些实施例中，发现有利的是，理想地延伸通道1的自由长度的管将针与通道的剩余部分链接，尤其是当设备还与其他设备例如过滤器和泵或压力控制器连接时以便有利于操纵该设备，并且尤其是设备与其他容器的连接。
[0165]
大体积实施例(图5)
[0166]
在0.1mm2和3mm2的横截面子范围内，设备的性能通常较好，并且有时在0.1mm2至2mm2的子范围内设备的性能甚至更好。然而，对于固定几何形状的通道，例如圆形横截面的通道，液压阻力与横截面代表直径的四次幂成反比。此外，颗粒悬浮液的粘度通常类似于或大于水的粘度，并且所涉及的颗粒悬浮液的体积能够很大，例如大于1ml、大于5ml、大于10ml、大于50ml、大于100ml，并且有时大于250ml。对于这样的体积，通道的液压阻力能够使操作复杂化，并在应用流速下或在获得足够强的惯性升力效应以重新悬浮颗粒所需的流速下，导致工作压力超过几bar，并且有时超过10bar。由于包括改变颗粒悬浮液的风险的各种技术和实践上的不便，尤其是在包含有可压缩颗粒的悬浮液、泄露风险、突起风险等情况下，优选地避免出现这种高压。为了在处理特别粘稠和/或大体积悬浮液时，在不遭受这些不便的情况下从本发明的优点中获益，本发明包括一组具体适用实施例。在所述实施例中，根据本发明的多个通道1在其输出末端12处与液压歧管41连接。在这些实施例中，连接到液压歧管的通道的数量被调整为满足应用所需的体积，与歧管连接的每个单个通道的长度被限制为基于操作压力的限制的值，该操作压力基于考虑应用流速或由于惯性升力效应获得颗粒再悬浮所需的流速的估计、悬浮液粘度的估计、驱动流体的粘度以及界面上的压力差。
[0167]
在一些实施例中，与歧管41连接的通道1的体积总和大于1ml。在一些优选实施例中，与歧管41连接的通道1的体积总和大于5ml。在一些优选实施例中，与歧管41连接的通道1的体积总和大于10ml。在一些优选实施例中，与歧管41连接的通道1的体积总和大于20ml。在一些优选实施例中，与歧管41连接的通道1的体积总和大于50ml。在一些优选实施例中，与歧管41连接的通道1的体积总和大于100ml。在一些优选实施例中，与歧管41连接的通道1的体积总和大于250ml。
[0168]
在一些优选实施例中，为了有利于悬浮液的均匀处理，与歧管41连接的每个通道1优选地沿通道长度具有相似的压实图案和横截面轮廓。
[0169]
在一些优选实施例中，为了防止歧管中悬浮液处理的颗粒损失或不均匀性，歧管具有与通道一致的横截面特性，即歧管中流体路径的平均横截面类似于通道的平均横截面。此外，同样为了防止歧管中悬浮液处理的颗粒损失或不均匀性，歧管优选地不包括横截面大于一个通道1的横截面的四倍的的流体路径段，该流体路径段所占体积大于250μl，并且更优选地，这种段所占体积不超过50μl，并且甚至更优选地，这种段所占体积不超过10μl。
[0170]
为了操作该实施例，每个通道1的输入11可以与泵或压力源连接，优选地经由过滤器以避免污染。作为变型，歧管能够与另一个设备连接并且高度差或从该设备的泵送能够驱动流动。可替换地，每个通道1可以包括流体驱动垫片22，该垫片具有限制垫片沿着每个通道长度移动的两个瓶颈，以限制每个通道中的置换体积。然而，有几种情况和技术方面使得能够单独地驱动每个通道1中的悬浮液体积置换是优选的。一个这种重要的技术方面是通道的液压阻力可能明显不同，使得通道的集体处理导致部分颗粒悬浮液，例如在悬浮液输出期间具有更高液压阻力的通道中的损失。这方面在使用流体驱动垫片形成紧密密封的
情况下尤其如此。另一个要考虑的重要技术方面是给定的应用的流速越大，惯性升力越大，并且因此当一次驱动一个通道时，通常将获得最佳的颗粒悬浮液处理。因此，在一些实施例中，能够独立驱动通道1中的流速。
[0171]
在一些实施例中，借助于每个通道1的输入11与不同的泵或压力控制器连接来实现通道中流速的这种独立驱动。
[0172]
在一些实施例中，通道1中流速的这种独立驱动是通过在每个通道中或其与歧管的连接管线中具有一个阀64的阀来实现的。例如，通道可以经由柔性管部与歧管连接，在这种情况下，通过夹持柔性管部，夹管阀641可以用来阻挡该通道中的流动。在这样的配置中，所有通道1可以通过相同的泵或压力控制器来驱动，这能够在成本和实现的复杂性方面是有利的。
[0173]
在其他一些实施例中，通过与每个通道的输入11连接的阀来实现这种独立驱动。例如，每个通道可以与孔直径小于1μm的过滤器，优选孔直径小于0.5μm的过滤器，以及更优选孔直径约为0.2μm或小于0.2μm的过滤器的输出连接，
‑
并且过滤器的输出可以经由电磁驱动气阀642与泵或压力控制器61连接。在这样的配置中，所有通道1可以由相同的泵驱动，这能够在成本和实现的复杂性方面是有利的，而且如果驱动流体是气体混合物，则泵可以是气泵，这能够特别便宜并降低操作压力。此外，这些实施例在多次使用后或每次使用后更新通道1的情况下是有利的。实际上，在这种情况下，通道1可以附接到过滤器和歧管，并且比阀中断通道1与歧管之间的流动的情况更容易移除和安装。然而，注意的是，在这样的配置中，驱动流体可能存在可压缩性，或者通道壁缺乏刚度，可以导致在一个通道被加压时，在一些通道中出现一些流动。
[0174]
提高颗粒悬浮液的温度控制的实施例(图6)
[0175]
在一些情况下，需要维持或控制颗粒悬浮液31的温度以实现更好的处理性能。这些情况在细胞悬浮液的情况下特别常见，对此，在相对长的处理持续时间，例如处理持续时间长于10分钟的情况下，维持较低温例如4℃可以降低细胞死亡率。在一些情况下，细胞悬浮液被冷冻以在超过3小时的时间段、更常见的是超过6小时的时间段改善保存。在这种情况下，在冷冻时悬浮液的温度下降优选得到很好地控制，而在解冻时优选温度上升快，以增加产量，并且尤其是降低与这些操作相关的细胞死亡率。在这些不同的应用中，本发明具有补充优势，尤其是由于减小的颗粒悬浮液31体积横截面而增加了控制颗粒悬浮液31温度的容易性以及由于更快的扩散而减少了热传递的持续时间和增加了温度均匀性。
[0176]
通过允许颗粒悬浮液31与“温度控制流体”70之间进行有效和良好的热交换，本发明的某些方面对于这种情况具有特别的优势，该颗粒悬浮液和该“温度控制流体”通过穿过通道1的壁的热交换来改变颗粒悬浮液31的温度，或增加与悬浮液31相关联的热惯性以稳定其温度，尤其是对于传输操作，其中优选避免使用控制温度的主动装置，例如热泵以简化操作，尤其是在成本、复杂性和设备重量方面。通过在悬浮液体积与环境之间提供热绝缘件72，本发明的某些方面对于这些应用具有互补优势。尤其有利的组合包括与温度控制流体70进行良好的热交换以增加颗粒悬浮液周围的热惯性，以及将颗粒悬浮液与所述温度控制流体70绝缘的热绝缘层72以协同地增加颗粒悬浮液相对于环境扰动的热稳定性。
[0177]
因此，在一些实施例中，在通道1的至少一半长度上的通道1的横截面的每个点处，通道1壁的厚度至少在一侧小于3mm，以提供与通道外部的温度控制流体70良好的热接触。
在一些实施例中，通道长度的至少一半布置在封闭式流体密封容器71中，该容器配备有能够通过密封件、盖、可擦拭阀、隔片或类似的装置713关闭的至少一个，并且优选至少两个流体端口712，使得这种容器能够填充温度控制流体70以增加通道1附近的设备的热惯性，或者使得通道1内的颗粒悬浮液31的温度能够通过在该容器71中温度控制流体70的流进和流出来驱动。
[0178]
因此，在一些实施例中，绝缘层72包裹在通道周围或包含通道的容器周围以减少环境对颗粒悬浮液温度的影响。
[0179]
在这些实施例的一些中，管支撑件14有利地刚性附接到温度控制流体容器71以形成稳定的组件并减少设备操作期间布置变化的潜在后果。
[0180]
具有以之字形图案的形式压实的通道的实施例(图7)
[0181]
图7中所示的实施例是类似于图5的高体积实施例。图7中所示的实施例与其他附图中所示的实施例的不同之处在于每个通道1是以之字形图案的形式而不是以线圈的形式压实的。
[0182]
在该实施例中，通道1布置在一个平面中，这有利于成像从而有利于界面2的位置的监测。之字形图案是有规律的，使得在使用设备时有利于颗粒悬浮液的均匀化。在该实施例中，通道1是以规律间隔固定在支撑元件14上的管，从而可以给管分配固定布置，这对于在界面2的检测位置的位置与颗粒悬浮液的置换体积之间具有可靠且可重复的对应关系在功能上是至关重要的。管和支撑元件14插入到筒体71中，该筒体能够填充有液体711例如水并且由透明的前面板(图7中未示出)来封闭，以使得通过前面板可以对界面2的位置进行成像和监测。筒体71经由连接件712与液体循环连接。筒体71的内部包含有利于液体在整个筒体中循环并且因此在整个设备中进行对流交换的液体通道(通路和开窗)。
[0183]
方法
[0184]
干扰细胞转移操作的现象是多重且复杂的。期望优化转移操作的几个方面以获得最佳性能。通过减少静止时间能够获得一些改进，该静止时间通常导致沉降所引起的不利影响，或者通过调整介质成分、密度和粘度以有利于细胞存活和限制沉降等。也能够调整执行转移的温度，例如在某些情况下，较低的温度能够防止细胞在转移期间死亡。然而，介质成分、密度、粘度和温度通常受到过程中的其他方面的限制，使得它们通常无法解决细胞悬浮液转移中遇到的问题。
[0185]
本发明的方法包括颗粒悬浮液31，通常是水性细胞悬浮液，和优选无菌的驱动流体32，该驱动流体例如能够是如空气的气体混合物；或水性溶液；或不溶于水的油混合物。使用根据本发明的设备。通过界面2朝向通道的输入侧移动，来将被转移的介质装载到设备中。通过界面朝向通道的输出侧置换，来将被转移的介质从设备中卸载。
[0186]
在装载和卸载操作中，以及可能在这些操作之间的静止期间，必须在最短的持续时间内施加适当范围内的流速以提供再悬浮效果并避免沉降的不利影响。该重新悬浮流速的大小取决于通道横截面。再悬浮流速的大小还取决于转移介质的粘度、细胞与转移介质之间的密度差、重力大小和颗粒直径。通常，发现所施加的流速应该在至少1秒的周期内大于kq*s
3/2
μl/s，其中kq等于1/3μl/s/mm3，并且s是以mm2表示的通道平均横截面。
[0187]
流速脉冲能够在交替方向上有规律地进行，以维持颗粒处于悬浮状态。在这种情况下，至少每分钟重复一次再悬浮流速脉冲是有利的。
[0188]
在包括两个或更多个通道的实施例的情况下，注意的是，即使在输入或输出操作期间也能够执行防止沉降的流动脉冲，尤其是当使用两个独立的泵或压力控制器时。