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"Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung biologischen Materials"
-Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung biologischen
Materials, wie z.B. von roten Blutkörperchen oder von Zellen tierischen bzw. pflanzlichen
Ursprungs in Suspension.
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Verfahren und Vorrichtung bezwecken eine Auftrennung des suspendierten
Materials in Fraktionen oder eine Abtrennung von Bestandteilen durch Einführung
einer Behandlungsflüssigkeit in einen innerhalb eines Zentrifugenrotors enthaltenen
inerten, sterilisierbaren Behälter, während der Rotor umläuft.
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Eine Vorrichtung der oben genannten Art ist bereits der älteren Patentanmeldung
der Anmelderin P 24 41 824.4 zu entnehmen. In der Beschreibung dieser Patentanneldung
ist auch der Stand der Technik ausführlich erörtert.
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Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, die Sterilisationsbedingungen
eines Verfahren und einer Vorrichtung zur Behandlung
biologischer
Flüssigkeiten wie Blut zu verbessern, um sowohl in einem diskontinuierlichen Waschverfahren
als auch im Elutrations verfahren als auch im Fraktionierungsverfahren auf einfache
Weise und mit geringstem Aufwand arbeiten zu können.
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Unter Elutration wird allgemein ein Strömungs-Trennverfahren für suspendierte
Teilchen mit unterschiedlichen Sedimetationskoeffizienten verstanden.
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Die suspendierten Teilchen befinden sich dabei in Gefäßen geeigneter
Form unter Wirkung der Schwerkraft oder Zentrifugalkraft, während eine Spülflüssigkeit
in der der Kraft entgegengesetzten Richtung den sedimentierenden Teilchen entgegenströmt.
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Teilchen mit geringerer Sedim-entationsgeschwindigkeit als der Strömungsgeschwindigkeit
sinken nach unten, Teilchen mit gleich Sedimentationsgeschwindigkeit bleiben suspendiert.
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs
geschilderten Gattung erfindungsgemäß durch die Vereinigung folgender Merkmale:
Die Einführung der Behandlungsflüssigkeit erfolgt über eine sterile, zentrale, mit
dem Rotor verbindbare Kupplung, ein ring- oder scheibenförmiger, inerter, sterilisierbarer
Behälter weist einen peripheren Ringkanal mit Öffnungzauf oder eine Vielzahl von
radial-uerlaufenden Kanälen, durch die die Behandlungsflüssigkeit in den Behälter
hineinströmt.Nach Durch fluß durch den Behälter und Ende der Behandlung erfolgt
die Ab- -fuhr von Abfällen in einen unterhalb des ersten Behälters angeordneten
zweiten Behälter.
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Weitere Merkmale der Erfindung sind aus den Unteransprüchen sowie
der Beschreibung und Zeichnung eines Ausführungsbeispiels zu ersehen.
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Die Erfindung weist eine ganze Reihe von Vorteilen auf: Dadurch, daß
eine Waschflüssigkeit im zentralen Bereich zugeführt; wird, über eine Ringleitung
im Beutel peripher nach innen strömt und danach wieder im Zentralbereich die Abfälle
nach unten abgeleitet werden, ergeben sich einfache und gut zu beherrschende Leitungsführungen.
Die Beutel und der Rotoraufbau sind- einfacher und leichter herzustellen und anzuwenden.
Der Abfallbehälter kann wiederverwendbar sein, und es ist nur noch ein einfaches
Programm für die Steuerung der einzelnen Arbeitsgänge nötig. Die Behälter sind einfach
zu sterilisieren.
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Anhand der @@@@@@@@@@@ @@@@@@@@@@@@@@@@@ seien nachfolgend Ausführungsbeispieke
der Erfindung beschrieben.
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Es zeigen: Figur 1 einen Rotorteil mit eingelegtem Prozeßbehälter,
Figur zeine Rotor mit vergrößert- dargestellter Kupplung, Figur 3 einen Prozeßbehälter
in Ringform, Figur 4 einen Prozeßbehälter in Scheibenform.
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Die Vorrichtung zur Behandlung biologischen Materials in Suspension
gemäß Fig. 1 besteht aus einer Zentrifuge, deren Rotor 16 zweiteilig ausgebildet
ist, d.h.!ein Oberteil 16a und ein Unterteil 16b aufweist. Im Rotorunterteil 16b
ist die Membran 17 eingesetzt auf die ein - durch den Kanal 18 zugeführtes Druck
mittel einwirkt. Mit 19 ist der zentrale Abfluß bezeichnet.
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Zwischen den beiden Rotorteilen ist ein Prozeßbehälter 1 in Form eines
flexiblen Kunststoffbeutels eingelegt. Dieser Beutel muß chemisch und biologisch-inert,
d.h.physiologisch unbedenklich und sterilisierbar sein. Dieser Beutel 1 dient als
Prozeßbehälter, d.h. zum Elutrieren oder Waschen oder Fraktionieren. Es ist denkbar,
auch lediglich die Unterseite des Beutels 1 anstelle des gesamten Beutels aus dUnnwandigem,flexiblen
Kunststoff
herzustellen. Wie ersichtlich, ist unterhalb der Bodenwände
des Beutels eine elastische Membran 17 dicht in den Rotorunterteil eingesetzt, welche
z.B. über den Kanal 18 im Rotorunterteil von einer Hydraulikflüssigkeit gefüllt
werden kann.
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Der Beutel 1 weist angeformte Schlauchleitungen 21, 23, 24 auf, wovon
die Leitung 24 zum Probenbehälter, z.B. für Blut, die Leitung 21 zum Waschflüssigkeitsbehälter
und die Leitung 23 zum Abfallbehälter führt,Zumindest die Leitung 21 ist an eine
Kupplun angeschlossen. Wie ersichtlich, erfolgt die Einführung der biologischen
Flüssigkeitsproben von oben zentral in den Beutel 1 und die Einführung von Waschflüssigkeit
am Umfang des Beutels.
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Die Abfuhr der Abfälle erfolgt wiederum zentral nach unten.
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Die Behälter für Probe und Waschflüssigkeit sind oberhalb des Zentrifugenrotors
und der Abfallbehälter vor bzw. unter dem Zentrifugenrotor angeordnet, Rückschlagventil
am Ausgang. Die.
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zentrale Dürchführung im flotoroberteil befindet sich ebenso wie die
Durchführung für die Leitung 23 zum Abfallbehälter im Rotationszentrum. Der erste
Behälter für die Waschflüssigkeit und der zweite Behälter für die Abfälle können
gleich ausgebildet sein. Wenn der Abfallbehälter unterhalb des Rotors separat angeordnet
ist, kann auf einen sterilen Verschluß für die Leitung 23 bei 29 verzichtet werden.
Während der Prozeßbehälter 1 und bevorzugt auch der nicht dargestellte Waschflüssigkeitsbehälter
für den einmaligen Gebrauch bestimmt sind, kann der ebenfalls nicht dargestellte
Abfallbehälter mehrfach verwendet werden. Die sterilen Verschlüsse der Anschlußleitungen
des Prozeßbehältersl wie die Hülle 28 für die Hohlnadel 27 sind an sich bekannter
Art. Die Leitung 21 ist mit dem Kupplung mundstück 2 und die Leitung 23 mit einem
Rückschlagventil bei 29 versehen. Die Verbindung der Anschlußleitungen 24 und 21
zu dem Probe- -.d t-;f-aschflüssigrkeitsbehaltew kann auch in den Rotoroberteil
zentral aufgenommen sein. Ferner ist aus der beigefügten Schemazeichnung ersichtlich,
daß der Hohlraum für den Prozeßbehälter
diesem angepaßt ist. Lediglich
für die Leitung 21 ist ab dem peripher liegenden Kanal 22 radial nach innen oberhalb
vom Beutel 1 noch eine zusätzliche Ausnehmung 30 vorgesehen.
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Nicht dargestellt sind Rotorantrieb, Zentrifugengehäuse, Einrichtung
zur Erzeugung eines hydraulischen Druckes für die Betätigung der Membran 17 sowie
die Elektronik zur Steuerung der -einzelnen Arbeitsgänge. Der Prozeßbeutel kann
im Querschnitt anstelle der Ellipsenform auch die Form etwa eines Rhombus aufweisen,
dessen größter Winkel dem Rotationszentrum zugekehrt ist Auf die Leitung 21 kann
noch ein etwa im RP^erch 30 nnffleordneteq nicht dargestelltes, fliehkraitbetätigtes
Ventil einwirken.
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Die Prozeßbeutel können weitere Einbauten aufwe-isen, welche als Leiteinrichtungen
dienen, um die peripher eintretende Waschflüssigkeit zentral nach innen zu leiten.
Diese Leiteinrichtungen können auf einem eingelegten separaten Kunststoffteil gebildet
sein. Sie können aber auch entweder an der Oberfolie oder an der Unterfolie angeformt
oder angeschweißt sein. Ober- und Unterfolie zusammengeschweißt ergeben den Beutel
1.
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Bei der Ausführung der Erfindung gemäß Figur 2 ist in den Rotor der
Zentrifuge ein Waschbehälter 1 aus flexiblem, zusammenfaltbarem Material, insbesondere
Kunststoff, eingelegt. Dieser kann, wie bereits in einem früheren Vorschlag der
Anmelderin (P 24 04 036.6)beschrieben, hydraulisch zusammengedrückt werden.
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Die Traverse 7 ist mittels der Lager 8 drehbar geführt. Zwischen Rotor
und feststehendem Gehäuse der Zentrifuge ist eine Kupplung 9 vorgesehen, die im
wesentlichen aus einem Oberteil 9a und einem Unterteil 9b besteht. Das Oberteil
9a weist eine Aufnahme 10 für eine Hohlnadel 5 auf, die ihrerseits an den Vorratsbehälter
für die Behandlungsflüssigkeit (nicht dargestellt) angeschlossen ist.
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Im Kupplungsunterteil 9b ist das Mundstück 2 enthalten, das von einer
Membran 6 abgeschlossen ist und mit dem Waschbehälter14s.o.) in Verbindung steht.
Das Mundstück 2 weist mehrere Dichtlippen, vorzugsweise die beiden Dichtlippen 3
und 4auf, welche nach Durchstechen der Membran 6 die Hohlnadel 5 dicht umschließen.
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Die Hohlnadel 5 mündet im angeschlossenen Zustand mit ihrer Spitze
in einem Hohlraum 2a, welcher - falls gewünscht - mit Vorteil noch von einer zweiten
Membran verschlossen werden kann.
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Das Kupplungsoberteil 9a ist im dargestellten Ausführungsbeispi mittels
einer unter Federdruck stehenden Kugel 11 in der Traverso nrasbbar. Die h'ohliadel
5 weist an der Verbindugsteii e 12 zum Schlauch 15 einen Drehriegel 14 auf, welcher
seinerseits in einer Erweiterung 15 der Aufnahme 10 verriegelbar ist. Auf diese
Weise wird sichergestellt, daß selbst bei hohen Drehzahlen eine einwandfrei dichte
Verbindung zwischen Vorratsbehälter und Waschbehälter gewährleistet ist.
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In Figur 3 ist eine Ausführungsform eines Prozeßbehälters dargestellt,
die sich von derjenigen nach Figur 2 und Figur 3 im wesentlichen durch die Ringform
unterscheidet. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Leitungen
23 und 24 münden am Innenrand 26 des Ringbeutels 1. Die Leitung 21 mündet am Umfang
des Ringbeutels 1. Der perforierte Kanal 22 liegt an der Peripherie des Ringbeutels
1 wie beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1.
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In Figur 4 ist in perspektivischer Ansicht ein Beutel in Scheibenform,
ähnlich demjenigen nach Figur 1, dargestellt. Deutlich ist der ovale Querschnitt
des Beutels 1 ersichtlich, welcher den Hohlraum 25 bildet. Der Kanal 22 weist wie
bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Vielzahl radial nach innen gerichteter
Öffnungen auf, die die Perforation bilden. Sowohl die Leitung 23 unterhalb des Beutels
1 wie die Leitungen 21, 24 oberhalb des
Beutels 1 sind zentral
geführt; letztgenannte Leitungen können auf beliebige Weise angeschlossen werden
an verschiedene Vorrats behälter. Im übrigen sind auch hier gleiche Teile mit gleichen
Bezugszeichen versehen und in den einzelnen Figuren untereinander austauschbar.
Abwandlungen und Kombinationen können vorgenommen werden,ohne den Rahmen der Erfindung
zu verlassen.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich folgende Arbeiten
durchführen: 1. Partikeltrennung durch Elutration (z.B. Trennung roter Blutstellen
von Vwi e cbtufleilt entsprechend der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung: Der in
den Zentrifugenrotor eingelegte Plastikbeutel 1 enthalte.bereits die zu-behandelnde
Suspension, die z.B. durch den Schlauch 24 (Fig. 1) eingefüllt worden ist. Während
die Zentrifuge läuft, wird über den Zufuhrungsschlauch 13 und die Nadel 5, die an
den Stellen 3 und 4 abgedichtet ist, Spül- -d.h., Elutrationsflüssigkeit d.h.' Elutrationsflüssigkeit
in den Beutel 1 geleitet. Sie -strömt in Pfeilrichtung zunächst in den radialen
Kanälen bis zu der peripher gelegenen Austrittsstelle und von dort, den suspendierten
Teilchen (in Pfeilrichtung) entgegen bis zur Austrittsöffnung des Abflu-sses 19.
Da die anderen Blutbestandteile, wie z.B. gelöste Proteine, Thrombozyten, Leukozyten
usw. kleinere Sedimentationskonstanten als die roten Blutzellen haben, werden sie
von der strömenden Flüssigkeit mitgeführt, während die roten Blutzellen auf Grund
ihrer Sedimentationsneigung im Beutel verbleiben.
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Entsprechend der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung: Der in den
Zentrifugenrotor 16 eingelegte Kunststoffbeutel 1 wird vor dem Elutrationsvorgang
mit der Probe (z.B. Blut) gefüllt. s hrend sich der Rotor dreht, wird über den Schlauch
21 aus einem über das Kupplungsmundstück 2 angeschlossenen
Vorratsgefäß
Waschflüssigkeit in den Beutel eingeleitet. Die Flüssigkeit verteilt sich zunächst
peripher in einem mit vielen kleinen Öffnungen versehenden Ringkanal 22 und tritt
dann durch diese Öffnungen in den Innenraum 25 des Beutels 1 ein, umströmt die dort
vorhandenen Partikel . Dabei werden alle Anteile, der Sedimentationskonstanten kleiner
als die der roten Blutzellen sind, mit der Waschflüssigkeit über den Austrittsschlauch
23 abgeführt. Der Anschlußschlauch 24 des Beutels ist dabei verschlossen.
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2. Partikelwäsche durch Dekantieren (z.B. rote Blutzellen) Entsprechend
Fig. 1: In den Kunststoffbeutel 1 wird vor dem Waschvorgang die zu behandelnde Probe
(Blut) unter nur teilweiser Ausnutzung des Beutelvolumens eingefüllt. Entweder vor
oder während der Rotation wird bei verschlossenen Schläuchen 21 und 23 durch den
Schlauch 24 das restliche freie Beutelvolumen mit Waschflüssigkeit aufgefüllt, wobei
eine Vermischung mit der Probe erfolgt. Die möglichst gleichmäßge Vermischung ist
z.B. durch: Wirbelbildung im Beutel 21 bei abruptem Bremsen der Zentrifuge möglich.
Im schluß an die Vermischung wird eine Beschleunigung des Rotors 16 durchgeführt,
wobei die roten Blutzellen im Beutel peripher nach außen sedimentieren und dort
ein konzentriertes Sediment bilden. Die Waschflüssig keit mit suspendierten Anteilen
der Probe, die weniger gut sedimentieren, sammelt sich im zentralen Teil des Beutels
1.
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Die verunreinigte Waschflüssigkeit wird, während die Zentrifuge läuft,
mit Hilfe einer elastischen Verdrängungsmembran 17 aus dem Beutel 1 entfernt. Die
Membran 17 unterhalb des Beutels 1 wird mittels einer geeigneten Hydraulik bewegt.
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Als AbfluBkanal dient der Schlauch 23 (bei verschlossenen Schläuchen
21 und 24). Der Waschvorgang wird nach Bedarf wiederholt.
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Partikelwäsche entsprechend der in Fig. 2 dargestellten Apparatur:
Der Waschvorgang und der Flüssigkeitsaustrag entsprechen weitgehend dem für die
Fig. 1 geschilderten Verfahren. Als Zulauf für die Waschflüssigkeit dient der Kupplungsschlauch
13 mit der HohlnadelSals Ablauf der Schlauch 23.
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3. Fraktionierung von Gemischen aus supendierten Partikeln unterschiedlicher
S edinentati ons eigens chaften (z.B. Vollblut) Eine Möglichkeit besteht darin,
eine Suspension aus verschiedenen Teilchengruppen in die elaze en kiiiailt! zu legen.
Z.B. bilden sich beim Zentrifugieren von Blut im Sediment Trennschichten unterschiedlicher
Stärke aus.. Diese enthalten im wensentlichen -(von- außen nach innen) Erythrozyten,
Thrombozyten und Leukozyten, während der Uberstand aus dem Blutplasma besteht. Unter
Einwirkung der Fliehkraft sind die Trennschichten relativ stabil. Durch Einpumpen
einer geeigneten Verdrängungsflüssigkeit in den Rotor lassen sich die einzelnen
Trennschichten als Fraktionen aus dem Beutel austragen. Für diese Technik ist die
in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung gut geeignet. Als Verdrängungsflüssigkeit kann
z.B. eine sterile physiologische Kochsalzlösung dienen, wenn sie über einen Zuleitungsschlauch
im Rotationszentrum eingeleitet wird. (z.B. Schlauch 24 in Fig. 1). In diesem Falle
würden zunächst die Erythrozyten, dann die Thrombozyten, dann die Leukozyten und
zuletzt das mit Kochsalz verdünnte Plasma aus dem peripher angeschlossenen Schlauch
21 ausgetragen.
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Eine andere Möglichkeit, z.B. Blutfraktionen aus dem Beutel 1 auszurSen,
bietet der Einsatz der Verdrangungsmembran 17 unterhalb des Beutels:
Anwendung
der Vorrichtung nach Fig. 2: Schlauch 21 und 24 geschlossen: Bei Druck auf den Beutel
1 werden die Fraktionen in derselben Reihenfolge wie bei Fig. 2 durch den Schlauch
23 ausgetragen.
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Anwendung der Vorrichtung nach Fig. 1: -Zulauf 13 sei geschlossen.
Bei Kompression des Beutels 1 werden die Blutanteile in folgender Reihenfolge durch
den Schlauch 23 ausgetragen: Plasma - Leukozyten - Thrombozyten - Erytrozyten.
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Schlauch 23 und 24 geschlossen: Bei Druck auf den Beutel 1 werden
die Fraktionen in umgekehrter Reihenfolge wie bei Fig. 2 durch den Schlauch 21 ausgetragen.
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Die Entscheidung über die geeigneteste Methode zur Fraktionierung
hängt von den Eigenschaften der jeweiligen Fraktion (alb.
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Viskosität) uni den jeweiligen Anwendungsbedingungen ab.