[发明专利]用于倾斜波颗粒偏转的声泳装置

说明书

相关申请的引用

本申请要求2016年4月1日递交的美国临时专利申请No.62/316,933以及2015年4月29日递交的美国临时专利申请No.62/154,690的优先权，通过引用将其全部公开内容整体并入本文。

背景技术

在医疗领域，经常期望不伤害细胞地从流体混合物中分离低浓度细胞、清洗细胞、浓缩流体混合物中的细胞、基于关键参数分化细胞或者甚至分级许多不同类型的细胞。这类工艺在许多普通疾病的可能疗法的发展中是关键的。还可以期望的是通过使用颗粒可以彼此分离的声场将尺寸、密度和/或声学反差因子不同的颗粒或者细胞分离。示例包括使活细胞与死细胞分离以及从未分化细胞中分离已分化细胞。本文中说明的方法提供了这种无标记的分离或分化方法。

在食品和饮料工业中，传统上使用过滤盒和过滤膜从液体中过滤颗粒。这种过滤器昂贵并且随着材料的处理而变得堵塞和不作用。与此相反，在其它可能的优点中，声泳(acoustophoresis)为过滤盒和过滤膜提供了固态、低成本的替代物，该替代物能够处理大量的例如负载酵母或其它悬浮颗粒的水或啤酒的基质介质。

在食品和饮料工业中，基质流体以比穿过传统的声泳装置的流率最多大十倍的流率流过过滤器。在这种较高的流率下，对基质流体中的颗粒的捕获降低，从而导致降低了的分离效率。因此，期望的是提供能够相较于传统的宏观尺度的声分离器从流率高得多或者浓度低得多的基质流体中分离第二流体或者粒子的系统和方法。

在油水工业中，从水中有效率地和经济地分离油和其它污染物已成为重要的工艺。水力压裂技术的出现导致许多沉降池和污水运输的高成本。这些沉降池对于环境是一个挑战并且需要更好的方法来更有效地澄清水力压裂水。在其它可能的优点中，声泳提供澄清水力压裂的固态的、有效的方法，但是与这种宏观尺度的声泳装置相关的流率仍太低而不可行。因此，期望的是提供能够从流率高得多的基质流体中分离第二流体、细胞或粒子的系统和方法。

发明内容

本公开在各种实施方式中涉及用于声泳分离、分级、隔离、浓缩、清洗、检测或者甚至分化流体悬浮物中的细胞或颗粒的微观至宏观尺度的系统、装置和方法。装置和方法包括含有超声换能器和反射器的流室，超声换能器和反射器产生定向为相对于流过流室的平均流的方向成锐角的倾斜声驻波，其中流室包括穿过倾斜声驻波的颗粒路径。在较高的流率下，声驻波可以用于使颗粒在期望方向上偏转而不导致颗粒在驻波中被捕获。通过将声驻波以一定的角度应用于基质流体，能够实现所期望的颗粒偏转。

本文所公开的是声泳装置，其包括：流室，其中第二流体、细胞或粒子中的至少一者和基质流体的初始混合物从该流室流过，该流室限定了平均流的方向；至少一个超声换能器，该超声换能器位于流室的壁，换能器包括由电压信号驱动以在流室中产生倾斜声驻波的压电材料，倾斜声驻波定向为相对于穿过流室的平均流的方向成锐角；以及反射器，该反射器位于流室的与至少一个超声换能器相对的侧的壁，并且被设计和定位成产生沿着所述锐角方向的驻波。作为示例，换能器可以与室中的流体直接接触，该换能器可以粘合地附接至聚合物膜或者可以用于激发第二材料以产生声驻波。另外，换能器可以使用是诸如PZT-8等的陶瓷或者是诸如聚偏二氟乙烯(PVDF)等的聚合物的压电材料。

在装置的特别实施方式中，倾斜声驻波定向为相对于穿过流室的平均流的方向成大约20°至大约70°的角。多维声驻波可以是三维声驻波。倾斜声驻波还可以是平面声驻波，或者是平面声驻波和多维声驻波的组合。

在装置的特定实施方式中，声泳装置还包括在流室的第一端的入口以及在流室的与第一端相反的第二端的澄清流体出口。声泳装置还可以包括在流室的第二端的浓缩出口。在流室的第二端的至少一个浓缩出口可以引起诸如细胞清洗、细胞浓缩或细胞分级等的进一步处理，其中细胞是诸如T细胞、B细胞和NK细胞等的生物细胞。在特定的实施方式中，所分离的细胞是中国仓鼠卵巢(CHO)细胞、NS0杂种细胞、幼仓鼠肾(BHK)细胞或者人类细胞。包括前述细胞类型的哺乳动物细胞培养的使用已被证明是生产/表达当今药物所需的重组蛋白和单克隆抗体的非常有效的方式。

在装置的特定实施方式中，声泳装置还包括在澄清流体出口的下方的偏转壁，该偏转壁实质上垂直于穿过流室的平均流的方向地延伸。声泳装置可以包括在偏转壁的下端的浓缩出口。倾斜声驻波可以是导致声辐射力的多维声驻波，该声辐射力具有使第二流体、细胞或粒子偏转到偏转壁的轴向分力。倾斜声驻波可以是三维声驻波。