DE102011076192A1

DE102011076192A1 - Filter und Verfahren zum Filtrieren von magnetischen Partikeln

Info

Publication number: DE102011076192A1
Application number: DE201110076192
Authority: DE
Inventors: Dr. Weiß Roland
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2012-11-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Filter (101, 201, 203) zum Filtrieren von magnetischen Partikeln (209), umfassend eine Strömungsstrecke (103, 203, 313) für die Partikel (209) und einen magnetisierbaren Körper (105) zum Erzeugen eines Magnetfeldes in der Strömungsstrecke (103, 203, 313) für eine magnetische Anhaftung der Partikel (209) an dem Körper (105), dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (105) eine regelmäßige Struktur (107) zum Erzeugen eines periodischen Magnetfeldes in der Strömungsstrecke (103, 203, 313) aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Filtrieren von magnetischen Partikeln (209). Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Filters (101, 201, 203).

Description

Die Erfindung betrifft einen Filter und ein Verfahren zum Filtrieren von magnetischen Partikeln. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Filters. Verfahren zur Separation von magnetisch markierten und unmarkierten Zellen als solche sind bekannt. Hierbei erfolgt die magnetische Markierung mit so genannten magnetischen Beads, wobei Beads Polystyrolkugeln sind, die mit magnetischen Nanopartikeln gefüllt sind. Die Markierung einer Zelle kann beispielsweise auch direkt mit den magnetischen Nanopartikeln erfolgen. Die magnetische Markierung kann auch direkt mit magnetischen Nanopartikeln, insbesondere SPIO, erfolgen, beispielsweise mittels EpCaM-Markern.
Bei solchen Verfahren sollte in der Regel einer der wichtigsten biotechnischen Parameter neben anderen, die so genannte Vitalität der Zellen, beachtet werden. Die Vitalität der Zellen wird allgemein an ihrer statistischen Lebensdauer gemessen. Häufig wird die Vitalität der Zellen durch Untersuchungsverfahren wie beispielsweise Einfärben und Separationsverfahren signifikant negativ beeinflusst. Wenn zu wenige Zellen komplexe Untersuchungen oder Experimente überleben, da die Vitalität zu gering ist, können diese Untersuchungen nicht mit entsprechenden Zellen durchgeführt werden.
Ein Separationsverfahren ist beispielsweise das Magnetic Activated Cell Separation(MACS)-Verfahren, welches in dem Artikel "High gradient magnetic cell separation with MACS" von Miltenyi et al. in dem Journal "Cytometry" 11: 231 bis 238 (1990), Verlag Wiley-Liss, Inc. beschrieben. Bei diesem Separationsverfahren wird Stahl- oder Eisenwolle mit geringem Durchmesser des Metallfadens in eine Separationsröhre eingebracht. Die Separationsröhre wird dann in ein magnetisches Feld eines Dauermagneten eingebracht. Die eigentliche Zellseparation findet in dem mit Stahlwolle gefüllten Bereich wie folgt statt. Der magnetische Fluss wird im mit Stahlwolle gefüllten Bereich zum Teil durch die Stahlwolle geführt. Durch den zufälligen, häufig gewundenen Verlauf der Stahlwollefäden tritt an vielen Stellen des Fadens magnetischer Fluss ein oder aus. Die großen Unterschiede der magnetischen Permeabilität von Pufferlösung und Stahlwolle führen zu großen Gradienten des magnetischen Feldes im Ein- und Austrittsbereich. Zusätzlich ist wegen des starken Dauermagneten auch der Betrag des magnetischen Flusses in der Pufferlösung groß. Hierbei gilt F → = ∇(m →·B →).
Hierbei sind F → die magnetische Kraft, die auf die markierten Zellen wirkt, m → das magnetische Moment der markierten Zellen und B → die magnetische Flussdichte.
Aus der obigen Formel folgt, dass die stark aufmagnetisierte magnetische Markierung der Zellen in den Bereichen mit großem Gradienten des magnetischen Feldes stark von den Stahlwollefäden angezogen wird. Insofern erfolgt so eine Separation von magnetisch markierten und unmarkierten Zellen innerhalb der Stahlwolle.
Dieses als Gold-Standard verwendete MACS-Verfahren von Miltenyi et al. hat hier aufgrund seiner undefinierten Geometrien und undefinierten Magnetfeldern einige Nachteile. Diese Undefiniertheit bezüglich der Geometrien und der Magnetfelder resultiert insbesondere daher, dass der Stahlfaden der Stahlwolle einen undefinierten, insbesondere chaotischen, Verlauf aufweist. Bei diesem Verfahren ist insbesondere der Stress auf die Zellen gemessen an der Vitalität relativ groß. Immer häufiger ist jedoch beispielsweise bei der frühzeitigen Erkennung von Tumoren oder bei Experimenten mit Stammzellen die Anzahl der relevanten Zellen sehr gering, so dass dem Einfluss eines Untersuchungsverfahrens auf die Vitalität eine immer größere Bedeutung zukommt. Weiterhin können aufgrund der Undefiniertheit in dem bekannten Verfahren auch unspezifisch markierte Zellen separiert bzw. von der Stahlwolle zurückgehalten werden, was eine Trennung von spezifisch und unspezifisch markierten Zellen erschwert bis unmöglich macht. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann daher darin gesehen werden, ein Filter zum Filtrieren von magnetischen Partikeln anzugeben, welches die bekannten Nachteile überwindet und einen empfindlicheren Nachweis von spezifisch markierten Partikeln ermöglicht.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann auch darin gesehen werden, ein entsprechendes Verfahren zum Filtrieren von magnetischen Partikeln anzugeben.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann auch darin gesehen werden, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Filters bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen. Nach einem Aspekt wird ein Filter zum Filtrieren von magnetischen Partikeln bereitgestellt. Das Filter umfasst eine Strömungsstrecke für die Partikel, über welche die magnetischen Partikel strömen können. Ferner umfasst das Filter einen magnetisierbaren Körper zum Erzeugen eines Magnetfeldes in der Strömungsstrecke für eine magnetische Anhaftung der Partikel an dem Körper. Der Körper weist eine regelmäßige Struktur zum Erzeugen eines periodischen Magnetfeldes in der Strömungsstrecke auf.
Nach einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Filtrieren von magnetischen Partikeln bereitgestellt, wobei über eine Strömungsstrecke der Partikel ein periodisches Magnetfeld zum räumlichen Separieren der Partikel voneinander erzeugt wird. Die Erfindung umfasst also den Gedanken, ein Filter mit einer Strömungsstrecke und einen magnetisierbaren Körper bereitzustellen. Hierbei strömen die Partikel entlang der Strömungsstrecke. Der magnetisierbare Körper erzeugt ein Magnetfeld in der Strömungsstrecke. Entsprechend dem Magnetfeld wirkt auf die magnetischen Partikel eine magnetische Kraft, welche dafür sorgt, dass die Partikel von dem Körper angezogen werden, so dass die Partikel am Körper anhaften können. Hierbei ist eine solche Anhaftkraft insbesondere abhängig von der Beschaffenheit der Partikel, dem Magnetfeld und einer Strömungsgeschwindigkeit der Partikel, so dass einige Partikel trotz magnetischer Anziehung durch die Strömungsstrecke strömen können, ohne letztlich an dem Körper anzuhaften. Andere Partikel wiederum haften an dem Körper.
Aufgrund des Vorsehens einer regelmäßigen Struktur, welche insbesondere als magnetische Struktur gebildet sein kann, in dem magnetisierbaren Körper erzeugt dieser ein periodisches, insbesondere ein räumlich und/oder ein zeitlich periodisches, Magnetfeld mit definierter Stärke und definiertem Gradienten. Aufgrund dieser definierten Feldabhängigkeit, insbesondere räumliche und/oder zeitliche Feldabhängigkeit, des Magnetfeldes kann eine magnetische Kraft, welche auf die magnetischen Partikel wirkt, definiert eingestellt werden, so dass beispielsweise nur auf bestimmte Partikel eine ausreichende magnetische Kraft wirkt, um diese an den Körper anzuhaften. Eine empfindlichere Separation von spezifisch markierten Partikeln und unspezifisch markierten Partikeln ist insofern in vorteilhafter Weise ermöglicht. Weiterhin kann in vorteilhafter Weise die Magnetkraft auf die Partikel so eingestellt werden, dass der Stress auf die Partikel minimiert ist, was Beschädigungen an den Partikeln minimiert bis ausschließt. Ein Partikel im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere ein Festkörper, welcher beispielsweise eine Größe in der Größenordnung von Zentimetern, beispielsweise Millimetern, insbesondere Mikrometern, beispielsweise Nanometern, aufweist. Bei dem Partikel kann es sich insbesondere um ein Nanopartikel handeln. Partikel im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen insbesondere auch Zellen, insbesondere menschliche oder tierische Zellen, vorzugsweise Stammzellen, beispielsweise Tumorzellen.
Magnetische Partikel im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen insbesondere Partikel, welche nicht dia- oder paramagnetisch sind, und welche mittels einer magnetischen Markierung, auch magnetischer Marker genannt, markiert wurden. Unmarkierte Partikel weisen eine solche magnetische Markierung nicht auf und können insbesondere insofern dia- oder paramagnetisch sein.
Ein spezifisches Partikel im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet insbesondere ein Partikel, welches filtriert werden soll. Ein unspezifisches Partikel bezeichnet insbesondere ein Partikel, welches nicht filtriert werden soll. Dieses unspezifische Partikel soll insofern ungehindert entlang des Strömungsweges strömen und nicht am Körper anhaften. Hierbei ist es in der Regel so, dass bei einer magnetischen Markierung mittels eines magnetischen Markers der zu filtrierenden Partikel, das heißt also der spezifischen Partikel, auch die nicht spezifischen Partikel zumindest teilweise mittels des Markers markiert werden. Allerdings ist bei unspezifisch markierten Partikeln üblicherweise eine Menge der an der Oberfläche des Partikels gebundenen magnetischen Marker deutlich geringer als bei spezifisch markierten Partikeln. Dadurch ist in vorteilhafter Weise die magnetische Kraft, mit der diese unspezifisch markierten Zellen maximal im Filter gehalten werden können, deutlich geringer als bei den spezifisch markierten Partikeln. Da es erfindungsgemäße möglich ist, die magnetische Kraft genau einzustellen, ist so in vorteilhafter Weise eine leichte und empfindliche Separation von unspezifisch und spezifisch markierten Partikeln ermöglicht.
Ein periodisches Magnetfeld im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst insbesondere auch ein periodisches Magnetfeld, welchem beispielsweise ein exponentiell abfallendes oder ansteigendes Magnetfeld überlagert ist. Die Periodizität bezüglich des Magnetfeldes kann insbesondere eine räumliche und/oder eine zeitliche Periodizität umfassen. Hierbei bezieht sich insbesondere die räumliche Periodizität über die Strömungsstrecke.
Eine Struktur im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet insbesondere einen räumlichen Aufbau bzw. Anordnung von mehreren Elementen. Regelmäßig im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet insbesondere, dass die Struktur beispielsweise Substrukturen aufweist, die vorzugsweise mehrmals vorhanden sind, beispielsweise sind die Substrukturen räumlich periodisch angeordnet. Die Struktur kann beispielsweise magnetisch oder magnetisierbar gebildet sein. Das heißt also insbesondere, dass sie solche Materialien umfasst oder ganz aus solchen gebildet ist.
Nach einer Ausführungsform ist die Struktur als eine Lamellenstruktur gebildet. Eine Lamellenstruktur weist insbesondere eine oder mehrere Lamellen als Substruktur auf. Hierbei kommt der Ausdruck "Lamelle" aus dem Spätlateinischen von "lamella", was eine dünne Scheibe oder ein Blättchen bezeichnet. Insofern weist eine Lamelle eine Dicke, auch Breite bezeichnet, auf, welche relativ zu ihrer Länge vernachlässigbar dünn ist. Vorzugsweise kann eine Lamelle eine Dicke bzw. Breite von nur einigen µm aufweisen. Ein lotrechter Abstand zwischen zwei Lamellen kann beispielsweise zwischen etwa 100 µm und etwa 300 µm betragen. In einer Lamellenstruktur sind die Lamellen insbesondere im Wesentlichen parallel, das heißt parallel oder annähernd parallel, zueinander angeordnet, so dass nur ihre Kanten nach außen weisen. Eine solche Lamellenstruktur weist in vorteilhafter Weise eine über einen Materialaufwand gemessene große Oberfläche und Stabilität auf, so dass sich insbesondere eine Filteroberfläche in vorteilhafter Weise vergrößert. Somit ist es weiterhin in vorteilhafter Weise ermöglicht, eine größere Anzahl an magnetischen Partikeln zu filtrieren.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst die Lamellenstruktur zwei gegenüberliegende Lamellen, wobei die Strömungsstrecke zumindest teilweise zwischen den zwei Lamellen verlaufend gebildet ist. Die beiden Lamellen begrenzen insbesondere zumindest einen Strömungsstreckenabschnitt. Das periodische Magnetfeld wird insbesondere zwischen den beiden Lamellen erzeugt, so dass die filtrierten Partikel an den Lamellen magnetisch haften können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Struktur zwei magnetische Flussleiter als Substruktur zum Ausbilden magnetischer Flusslinien zwischen den beiden Flussleitern. Somit kann in vorteilhafter Weise lokal definiert in der Struktur eine magnetische Flussdichte für eine magnetische Anhaftung der Partikel an der Struktur erzeugt werden. Vorzugsweise können auch mehr als zwei Flussleiter vorgesehen sein. Insbesondere ist eine Anzahl an Flussleitern eine gerade Zahl, das heißt durch 2 teilbar, wobei die Anzahl an Flussleitern auch eine ungerade Zahl sein kann. Beispielsweise sind die Flussleiter paarweise gegenüberliegend angeordnet, so dass sich zwischen den beiden Flussleitern eines Flussleiterpaares magnetische Flusslinien ausbilden können. Ein Flussleiter umfasst insbesondere ein ferromagnetisches und/oder ein ferrimagnetisches. Beispielsweise kann der Flussleiter auch als Ganzes aus einem ferromagnetischen, ferrimagnetischen oder diamagnetischen Material gebildet sein. Die Flussleiter können auch aus einem magnetisch weichen Material gebildet sein. Insbesondere sind die Flussleiter aus einem hoch permeablen Material gebildet. Permeabel bedeutet hier insbesondere, dass die Flussleiter für die Partikel durchlässig sind. Die Flussleiter können insbesondere gleich oder unterschiedlich gebildet sein. Das heißt also insbesondere, dass eine jeweilige Breite bzw. Dicke, Höhe und Länge der Flussleiter gleich oder unterschiedlich sein können. Nach einer anderen Ausführungsform weisen die zwei Lamellen jeweils einen der zwei magnetischen Flussleiter auf. Diese sind vorzugsweise in den Lamellen integriert. Eine Lamelle kann vorzugsweise auch mehrere magnetische Flussleiter aufweisen. Bei mehreren magnetischen Flussleitern kann insbesondere vorgesehen sein, dass diese paarweise gegenüberliegend von den Lamellen umfasst sind, insbesondere an diesen angeordnet oder in diese integriert.
In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Körper eine pathoinhibitorische Beschichtung aufweist. Der Körper kann insbesondere aus einem pathoinhibitorischen Material gebildet sein. Das heißt also insbesondere, dass die Struktur eine solche Beschichtung aufweist bzw. aus einem solchen Material gebildet ist. Beispielsweise weisen die Lamellen der Lamellenstruktur eine solche Beschichtung auf bzw. sind aus einem solchen Material gebildet. Vorzugsweise kann auch vorgesehen sein, dass die magnetischen Flussleiter mit einer solchen Beschichtung versehen sind. Hierbei ist der Ausdruck "pathoinhibitorisch" das Antonym zu dem Ausdruck "pathogen". Pathogen kommt aus dem Griechischen und setzt sich zusammen aus dem Wort "pathos", was für Leiden und Krankheit steht, und aus dem Wort "genesis", was für Geburt oder Entstehung steht. Der Ausdruck "pathoinhibitorisch" setzt sich zusammen aus dem griechischen Wort "pathos" (Krankheit oder Leiden) und dem lateinischen Wort "inhibere", was für Hemmen oder Verhindern steht. Eine pathoinhibitorische Beschichtung ist insofern eine nicht pathogene Beschichtung bzw. ein pathoinhibitorisches Material ist insofern ein nicht pathogenes Material. Eine pathoinhibitorische Beschichtung bzw. ein pathoinhibitorisches Material verhindert somit in vorteilhafter Weise, dass ein Partikel, insbesondere eine Zelle, bei Kontakt mit dem Körper, insbesondere mit der Struktur, beschädigt wird bzw. minimiert eine eventuelle Beschädigung. Weiterhin wird mittels der Beschichtung insbesondere erreicht, dass der Körper, insbesondere die Struktur, geschützt ist gegen die Partikel bzw. eventuell vorhandene Pufferlösungen, welche beispielsweise als Trägerfluid die Partikel durch die Strömungsstrecke strömen können.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Struktur als Schichtstruktur auf einem Substrat gebildet. Eine Schichtstruktur umfasst insbesondere eine oder mehrere Schichten. Das heißt also insbesondere, dass die regelmäßige Struktur als Schichten auf einem Substrat aufgebracht ist. Die Schichten liegen hierbei insbesondere übereinander. Es können vorzugsweise auch Zwischenschichten vorgesehen sein. Diese liegen insbesondere zwischen den Schichten. Das Vorsehen einer solchen Schichtstruktur ermöglicht insbesondere in vorteilhafter Weise, dass ein solches Filter mittels Herstellungsprozessen, wie sie aus der Leiterplattentechnologie, insbesondere der HDI-Leiterplattentechnologie, bekannt sind, hergestellt werden kann. Hierbei steht die Abkürzung HDI für "high density-interconnect". Eine HDI-Leiterplatte ist insofern insbesondere eine besonders kompakt gebildete Leiterplatte. Das heißt also insbesondere, dass die einzelnen Schichten der Schichtstruktur beispielsweise mittels eines Druck-, Präge-, Abscheide- oder eines Lithografieprozesses oder einer Kombination hiervon hergestellt werden kann. Beispielsweise können die einzelnen Schichten mittels eines solchen Prozesses auf das Substrat aufgebracht bzw. auf dem Substrat gebildet werden. Es werden dann so genannte Vias, insbesondere Mikro-Vias (µ-Vias), in den Schichten gebildet. Es können insbesondere sowohl Vias als auch µ-Vias gebildet werden. Solche Vias dienen bei Leiterplatten insbesondere für eine Durchkontaktierung oder eine Ankontaktierung der einzelnen Schichten. Insbesondere weist eine Mikro-Via einen Durchmesser von kleiner als 200 µm auf. In diese Vias kann dann ein magnetisches Material eingebracht, insbesondere gefüllt, werden, so dass dadurch in vorteilhafter Weise in diesem Via ein magnetischer Flussleiter gebildet wird. Das hierfür verwendete Material kann insbesondere ein magnetisch weiches Material sein. Vorzugsweise ist das Material ein hochpermeables Material. Permeabel bedeutet hier insbesondere, dass das Material für die Partikel durchlässig ist. Ein Flussleiter aus einem magnetisch weichen Material kann insbesondere als ein weichmagnetischer Flussleiter bezeichnet werden.
In einer anderen Ausführungsform sind die Lamellen als Leiterplatten gebildet. Das heißt also insbesondere, dass Leiterplatten als Lamellen verwendet werden. Dadurch kann beispielsweise in vorteilhafter Weise auf ein zusätzliches Substrat verzichtet werden, was Kosten, Material und ein Fertigungsaufwand einspart.
In einer weiteren Ausführungsform werden die Partikel über zumindest einen Abschnitt der Strömungsstrecke laminar geströmt. Insbesondere werden sie entlang der gesamten Strömungsstrecke laminar geströmt. Laminar bedeutet hier insbesondere, dass die Partikelströmung keine sichtbaren Turbulenzen, Verwirbelungen oder Querströmungen aufweist. Dadurch wird in vorteilhafter Weise ein Stress auf die Partikel erheblich reduziert. Der Übergang von laminar zu nicht laminar hängt insbesondere von einer Strömungsgeschwindigkeit der Partikel ab, so dass bei Wahl einer geeigneten Strömungsgeschwindigkeit auch eine laminare Partikelströmung erreicht werden kann.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
1 ein Filter zum Filtrieren von magnetischen Partikeln,
2 ein weiteres Filter zum Filtrieren von magnetischen Partikeln,
3 ein anderes Filter zum Filtrieren von magnetischen Partikeln,
4 ein Filtersystem umfassend zwei Filter zum Filtrieren von magnetischen Partikeln,
5 eine Seitenansicht eines Filters zum Filtrieren von magnetischen Partikeln,
6 eine Vorderansicht des Filters aus 5,
7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Filtrieren von magnetischen Partikeln und
8 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Filters zum Filtrieren von magnetischen Partikeln.
Im Folgenden werden für gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt ein Filter 101 zum Filtrieren von magnetischen Partikeln (nicht gezeigt). Das Filter 101 umfasst eine Strömungsstrecke 103 für die Partikel, das heißt insbesondere, dass die Partikel entlang der Strömungsstrecke 103 geströmt werden. Vorzugsweise werden die Partikel über zumindest einen Abschnitt der Strömungsstrecke 103 laminar geströmt. Beispielsweise werden die Partikel über die gesamte Strömungsstrecke 103 laminar geströmt. Eine laminare Strömung bewirkt in vorteilhafter Weise insbesondere, dass ein Stress auf die Partikel reduziert wird.
Das Filter 101 umfasst ferner einen magnetisierbaren Körper 105, welcher ein Magnetfeld in der Strömungsstrecke 103 erzeugen kann. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der magnetisierbare Körper 105 mittels eines externen Magnetfeldes magnetisiert wird. Insbesondere wird dieses externe Magnetfeld mittels eines Dauermagneten erzeugt. Der magnetisierbare Körper 105 weist eine regelmäßige Struktur 107 auf, welche ein periodisches Magnetfeld in der Strömungsstrecke 103 erzeugen kann. In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann die regelmäßige Struktur auch als eine Lamellenstruktur umfassend mehrere Lamellen gebildet sein. 2 zeigt ein weiteres Filter 201. Das Filter 201 umfasst eine Strömungsstrecke 203, welche mittels zwei gegenüberliegenden Lamellen 205 und 207 begrenzt ist. In der Strömungsstrecke 203 strömt ein magnetisches Partikel 209 sowie mehrere nicht magnetische Partikel 211. Obwohl nur ein magnetisches Partikel gezeigt, können auch mehrere magnetische Partikel 209 vorgesehen sein, welche entlang der Strömungsstrecke 203 strömen. Die Partikel sind insbesondere als Zellen gebildet. Magnetisch bedeutet hier insbesondere, dass das Partikel 209 magnetisch markiert wurde. Nicht magnetisch bedeutet hier insbesondere, dass die Partikel 211 nicht magnetisch markiert wurden.
Die beiden Lamellen 205 und 207 umfassen jeweils vier Flussleiter 213, welche jeweils paarweise gegenüberliegend angeordnet sind. Das heißt also insbesondere, dass zu jedem Flussleiter 213 in der Lamelle 205 ein entsprechender Flussleiter 213 in der Lamelle 207 dem Flussleiter 213 der Lamelle 205 gegenüberliegt. Somit kann sich in vorteilhafter Weise ein Magnetfeld zwischen den beiden Flussleitern 213 eines Flussleiterpaares ausbilden, was in 2 mittels magnetischer Feldlinien 215 dargestellt ist. Da die einzelnen Flussleiter 213 in den Lamellen 205 und 207 regelmäßig bzw. periodisch angeordnet sind, bildet sich so ein periodisches Magnetfeld in der Strömungsstrecke 203 zwischen den beiden Lamellen 205 und 207.
Das magnetische Partikel 209 wird insofern von den Flussleitern 213 angezogen und haftet insofern an der Lamelle 205. Die nicht magnetischen Partikel 211 werden nicht durch das periodische Magnetfeld in ihrer Strömungsbewegung abgelenkt, so dass sie die beiden Lamellen 205 und 207 ungehindert durchströmen können. Zurückgehalten durch das Filter 201 wird insofern nur das magnetische Partikel 209. Ferner ist ein Dauermagnet 217 vorgesehen, welcher extern relativ zu den beiden Lamellen 205 und 207 angeordnet ist. Der Dauermagnet 217, welcher insbesondere auch durch einen Elektromagneten ersetzt werden kann, erzeugt ein externes Magnetfeld, was hier mit einem Pfeil mit dem Bezugszeichen 219 gekennzeichnet ist. Diese externe Magnetfeld 219 bewirkt, im Falle weichmagnetischer Flussleiter und weichmagnetischer Partikel deren Magnetisierung und damit die magnetische Kraft, welche auf das magnetische Partikel 209 wirkt. In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann zur Erzeugung des externen Magnetfeldes sowohl ein Dauermagnet als auch ein Elektromagnet vorgesehen sein.
Aufgrund der genau definierten Anordnung der einzelnen Flussleiter 213 bildet sich also zwischen den beiden Lamellen 205 und 207 ein definiertes räumliches Magnetfeld. Das heißt also insbesondere, dass das Magnetfeld eine definierte Stärke und einen definierten Gradienten aufweist. Insofern kann in vorteilhafter Weise eine auf das magnetische Partikel 209 wirkende magnetische Kraft genau eingestellt werden bzw. diese ist bekannt bzw. kann berechnet werden.
Vorzugsweise kann auch eine Strömungsgeschwindigkeit der Partikel 209 und 211 derart eingestellt werden, dass eine definierte laminare Strömung vorliegt. Somit können Haltekraft und Ablösekraft der Partikel 209 und 211 an den Lamellen 205 und 207 derart eingestellt werden, dass nur bestimmte magnetische Partikel im Filter zurückgehalten werden. Solche bestimmten bzw. spezifisch markierten Partikel verfügen vorzugsweise über eine definierte Mindestmenge an magnetischen Markern bzw. Markierungen. Diese Mindestmenge kann hierbei vorzugsweise über die Größe des externen Magnetfeldes 219, die Strömungsgeschwindigkeit und über eine Dimensionierung des Filters 201 eingestellt werden.
Vorzugsweise sind die Flussleiter 213 aus einem ferromagnetischen oder einem ferrimagnetischen Material gebildet. Das externe Magnetfeld 219 magnetisiert dann in vorteilhafter Weise die magnetischen Flussleiter 213, so dass das interne periodische Magnetfeld zwischen den beiden Lamellen 205 und 207 in vorteilhafter Weise auftritt bzw. gebildet wird.
In einer nicht gezeigten Ausführungsform können zumindest die Innenseiten relativ zu der Strömungsstrecke 203 der Lamellen 205 und 207 mit einer nicht pathogenen Beschichtung versehen werden. Eine nicht pathogene Beschichtung kann auch als eine pathoinhibitorische Beschichtung bezeichnet werden.
In einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform können auch mehr oder weniger als vier magnetische Flussleiter 213 pro Lamelle 205 und 207 vorgesehen sein.
In einer anderen nicht gezeigten Ausführungsform kann auch auf den Dauermagneten 217 bzw. Elektromagneten verzichtet werden.
3 zeigt ein weiteres Filter 301 umfassend vier Lamellen 303, 305, 307 und 309, welche parallel zueinander angeordnet sind. Die vier Lamellen 303, 305, 307 und 309 sind analog zu den Lamellen 205 und 207 in 2 gebildet. Auf die diesbezüglichen Ausführungen kann insofern verwiesen werden. Auch die Lamellen 303, 305, 307 und 309 umfassen jeweils mehrere magnetische Flussleiter 311, welche analog zu den Flussleitern 213 in 2 angeordnet sind.
Die vier Lamellen 303, 305, 307 und 309 sind beabstandet zueinander angeordnet, so dass zwischen den vier Lamellen 303, 305, 307 und 309 eine jeweilige Strömungsstrecke 313 gebildet ist. Über diese Strömungsstrecken 313 können magnetische Partikel 315 und nicht magnetische Partikel 317 bzw. unspezifisch markierte Partikel strömen, insbesondere laminar strömen. Die Strömungsrichtung der Partikel 315 und 317 ist hier symbolisch mit Pfeilen mit dem Bezugszeichen 319 gekennzeichnet.
Ein nicht gezeigter externer Dauermagnet und/oder Elektromagnet erzeugt ein externes Magnetfeld 321, wobei der externe Dauermagnet bzw. Elektromagnet insbesondere optional ist. Das heißt insbesondere, dass auf einen solchen externen Dauermagneten bzw. Elektromagneten in einer anderen Ausführungsform verzichtet werden kann. Bei weichmagnetischen Flussleitern sind vorzugsweise ein Dauermagnet und/oder ein Elektromagnet zur Erzeugung des äußeren bzw. externen Magnetfeldes vorgesehen, so dass in vorteilhafter Weise auf die Magnetpartikel magnetische Kräfte wirken können.
In 3 sind weiterhin Bemaßungen eingezeichnet, welche im Folgenden erläutert werden.
b bezeichnet eine Breite bzw. Dicke der Lamellen 303, 305, 307 und 309 sowie eine Länge der Flussleiter 311. d_Z bezeichnet einen Durchmesser der Partikel 315 und 317. a bezeichnet einen Abstand zwischen den Lamellen 303, 305, 307 und 309. d_F bezeichnet einen Durchmesser der Flussleiter 311. a_F bezeichnet einen Abstand der Flussleiter 311 zueinander in einer Lamelle 303, 305, 307 und 309.
Insbesondere um eine qualitativ noch hochwertigere und empfindlichere Separation der magnetisch markierten Partikel 315 von den magnetisch unmarkierten Partikeln 317 bzw. nicht spezifisch markierten Partikeln zu erreichen, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass zumindest eine der folgenden Dimensionierungsvorgaben bzw. Dimensionierungsbedingungen erfüllt sein können: a > 3d_Z a / 3 < b < 3a
a / 3 < a_F
Vorzugsweise sind sämtliche obigen Dimensionierungsvorgaben erfüllt.
In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann eine Herstellung der Lamellen 303, 305, 307 und 309 auch mittels Leiterplattenherstellungsprozessen erfolgen. Insbesondere können die Lamellen 303, 305, 307 und 309 sowie allgemein auch die Lamellen 205 und 207 in 2 als Schichten auf einem Substrat gebildet werden. In einer nicht gezeigten Ausführungsform sind die Lamellen als Leiterplatten gebildet, was insbesondere in vorteilhafter Weise ermöglicht, auf ein zusätzliches Substrat zu verzichten, was beispielsweise Material und ein Fertigungsaufwand einspart. Diese Schichten werden insbesondere mittels eines Druck-, Präge-, Abscheide- oder eines Lithografieprozesses oder einer Kombination hiervon hergestellt. Hierbei werden dann in den Schichten insbesondere so genannte Vias, vorzugsweise Mikro-Vias, erzeugt, welche vorzugsweise mittels eines magnetischen Materials gefüllt werden und so die magnetischen Flussleiter 311 bzw. 213 bilden. Das magnetische Material kann insbesondere ein magnetisch weiches Material sein. Vorzugsweise ist das Material ein hochpermeables Material.
In einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform können auch mehr oder weniger als vier Lamellen 303, 305, 307 und 309 vorgesehen sein. Auch die Anzahl der Flussleiter 311 in den einzelnen Lamellen 303, 305, 307 und 309 ist lediglich als exemplarisch anzusehen. Es können auch mehr oder weniger als die in 3 gezeigten Flussleiter vorgesehen sein. 4 zeigt zwei hintereinandergeschaltete Filter 401 und 403, welche insbesondere analog zu den Filtern 201 und 301 in 2 und 3 gebildet sind. Eine Partikelströmung umfassend magnetische und nicht magnetische Partikel ist hier symbolisch mit einem Pfeil mit dem Bezugszeichen 405 dargestellt. Die Partikel strömen zunächst durch das Filter 401 und anschließend durch das Filter 403. Die beiden Filter 401 und 403 bilden insofern ein Filtersystem.
5 zeigt eine Seitenansicht eines Filters 501 zum Filtrieren von magnetischen Partikeln (nicht gezeigt). 6 zeigt eine Vorderansicht des Filters 501 aus 5. Das Filter 501 umfasst ein Substrat 503, auf welchem mehrere Schichten 505 als Lamellen gebildet sind. Die Schichten 505 sind insbesondere mittels eines Druck-, Präge-, Abscheide- oder eines Lithografieprozesses oder einer Kombination hiervon auf dem Substrat 503 gebildet.
Die Schichten 505 weisen jeweils drei magnetische Flussleiter 507 auf, welche analog zu 2 und 3 paarweise gegenüberliegend in den einzelnen Lamellen 505 angeordnet sind. Hierbei werden diese Flussleiter 507 hergestellt, indem zunächst Vias, insbesondere Mikro-Vias, in den einzelnen Schichten 505 gebildet werden. Diese werden anschließend mit einem magnetischen Material gefüllt und bilden insofern die Flussleiter 507. Zwischen den einzelnen Schichten 505 ist eine Strömungsstrecke 509 gebildet, entlang welcher die Partikel strömen, insbesondere laminar strömen, können.
7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Filtrieren von magnetischen Partikeln. In einem ersten Schritt 601 werden die Partikel über eine Strömungsstrecke geströmt. Insbesondere werden die Partikel laminar geströmt. Zeitgleich wird in einem Schritt 603 ein periodisches Magnetfeld über die Strömungsstrecke erzeugt, so dass sich die magnetischen Partikel von den nicht magnetischen Partikeln räumlich separieren bzw. trennen. Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass noch zusätzlich ein externes Magnetfeld, insbesondere ein externes homogenes Magnetfeld, erzeugt wird, was in vorteilhafter Weise die Bildung des periodischen Magnetfeldes über die Strömungsstrecke unterstützt.
8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Filters zum Filtrieren von magnetischen Partikeln. In einem Schritt 701 werden auf einem Substrat mehrere Schichten als Schichtstruktur gebildet. Insbesondere werden diese Schichten mittels eines Druck-, Präge-, Abscheide- oder eines Lithografieprozesses oder einer Kombination hiervon auf dem Substrat gebildet.
In einem Schritt 703 werden in den Schichten Vias, vorzugsweise Mikro-Vias, gebildet. Diese Vias und/oder Mikro-Vias werden dann in einem Schritt 705 mit einem magnetischen Material gefüllt. Bei dem magnetischen Material kann es sich beispielsweise um ein magnetisch weiches Material handeln. Insbesondere handelt es sich bei dem Material um ein hochpermeables Material. Das Material kann beispielsweise ein ferromagnetisches oder ein ferrimagnetisches Material sein bzw. umfassen. Die so gefüllten Vias und/oder Mikro-Vias bilden dann magnetische Flussleiter.
Zusammenfassend umfasst die Erfindung also insbesondere den Gedanken, die Stahlwolle aus den bekannten Filtern durch eine regelmäßige und geordnete Struktur zum Erzeugen eines definierten Magnetfeldes zu ersetzen. Bei der Struktur handelt es sich insbesondere um eine Lamellenstruktur umfassend mehrere Lamellen. Die einzelnen Lamellen sind hierbei beispielsweise mit geometrisch definierten ferromagnetischen und/oder ferrimagnetischen Flussleitern so durchzogen, dass ein räumlich periodisches Magnetfeld mit definierter Stärke und definiertem Gradienten entsteht. Durch diese Lamellenanordnung, wobei die einzelnen Lamellen vorzugsweise etwa 100 µm bis etwa 300 µm Abstand zueinander aufweisen, können die Partikel, insbesondere Zellen, ohne hierbei großen Stress zu erfahren, strömen, vorzugsweise laminar strömen. Die Strömung wird vorzugsweise in weiten Bereichen des Filters laminar erfolgen und damit nur zu einem vergleichsweise geringen Stress für die an den Körper gebundenen bzw. anhaftenden und die zu strömenden Partikel zur Folge haben. Durch die Flussleiter, insbesondere weichmagnetischen Flussleiter, wird ein regelmäßiges inhomogenes Magnetfeld mit definiertem räumlichen Verlauf erzeugt. Dieses Feld bewirkt in vorteilhafter Weise eine klar definierte Kraft auf die magnetisch markierten Partikel. Durch geeignete Wahl des Durchmessers und der Länge des einzelnen Flussleiters sowie insbesondere des Abstandes zwischen den Flussleitern kann die magnetische Kraft auf die magnetisch markierten Partikel eingestellt werden. Dadurch können in vorteilhafter Weise beispielsweise unspezifisch markierte Partikel aussortiert werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

"High gradient magnetic cell separation with MACS" von Miltenyi et al. in dem Journal "Cytometry" 11: 231 bis 238 (1990), Verlag Wiley-Liss, Inc. [0003]

Claims

Filter (101, 201, 203) zum Filtrieren von magnetischen Partikeln (209), umfassend eine Strömungsstrecke (103, 203, 313) für die Partikel (209) und einen magnetisierbaren Körper (105) zum Erzeugen eines Magnetfeldes in der Strömungsstrecke (103, 203, 313) für eine magnetische Anhaftung der Partikel (209) an dem Körper (105), dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (105) eine regelmäßige Struktur (107) zum Erzeugen eines periodischen Magnetfeldes in der Strömungsstrecke (103, 203, 313) aufweist.
Filter (101, 201, 203) nach Anspruch 1, wobei die Struktur (107) als eine Lamellenstruktur (205; 207, 303; 305; 307; 309) gebildet ist.
Filter (101, 201, 203) nach Anspruch 2, wobei die Lamellenstruktur (205; 207, 303; 305; 307; 309) zwei gegenüberliegende Lamellen (205, 207, 303, 305, 307, 309) umfasst, wobei die Strömungsstrecke (103, 203, 313) zumindest teilweise zwischen den zwei Lamellen (205, 207, 303, 305, 307, 309) verlaufend gebildet ist.
Filter (101, 201, 203) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Struktur (107) zwei magnetische Flussleiter (213, 311) zum Ausbilden magnetischer Flusslinien zwischen den beiden Flussleitern (213, 311) umfasst.
Filter (101, 201, 203) nach Anspruch 3 und 4, wobei die zwei Lamellen (205, 207, 303, 305, 307, 309) jeweils einen der zwei magnetischen Flussleiter (213, 311) aufweisen.
Filter (101, 201, 203) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Körper (105) eine pathoinhibitorische Beschichtung aufweist.
Filter (101, 201, 203) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Struktur (107) als Schichtstruktur (505) auf einem Substrat (503) gebildet ist.
Verfahren zum Filtrieren von magnetischen Partikeln (209), wobei über eine Strömungstrecke (103, 203, 313) der Partikel (209) ein periodisches Magnetfeld zum räumlichen Separieren der Partikel (209) voneinander erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Partikel (209) über zumindest einen Abschnitt der Strömungsstrecke (103, 203, 313) laminar geströmt werden.
Verfahren zur Herstellung des Filters (101, 201, 203) nach Anspruch 7, wobei die Schichtstruktur (505) mittels eines Druck-, Präge-, Abscheide- oder eines Lithographieprozesses oder einer Kombination hiervon hergestellt wird.