生物材料低溫保存用裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種生物材料低溫保存用裝置。該裝置包括多個(gè)溶液儲(chǔ)罐、多路切換閥、液氮容器、蠕動(dòng)泵、電磁閥、廢液收集桶、換熱器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集控制接口板、攪拌風(fēng)機(jī)、電加熱器、凍存容器、支架、保溫箱、噴嘴、溫度傳感器、溶液輸送管、液氮輸送管等。雙通道的蠕動(dòng)泵經(jīng)多路切換閥將低溫保護(hù)劑溶液從溶液儲(chǔ)罐泵出，在換熱器中溶液被液氮提供的冷量降溫，隨后進(jìn)入處于保溫箱中的凍存容器，蠕動(dòng)泵同時(shí)將容器內(nèi)原有液體排出至廢液收集桶，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過采集液氮輸送管表面、低溫保護(hù)劑溶液、保溫箱內(nèi)空氣等多處溫度進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)生物材料所處低溫保護(hù)劑溶液溫度和濃度的協(xié)同控制，達(dá)到提高生物材料低溫保存質(zhì)量的目的。
【專利說明】生物材料低溫保存用裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種低溫保存裝置，用于復(fù)溫后活性要求較高、常規(guī)技術(shù)難以滿足要求的生物材料的低溫保存。

【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)于有活性要求的細(xì)胞和組織的保存，低溫可能是必要條件。為了建立庫存，一般使用_80°C以下的低溫冰箱或_196°C的液氮，從現(xiàn)有數(shù)據(jù)來看后者可以提供幾乎無限長的保存期。到目前為止，人們已經(jīng)能夠成功地保存多種有用的人體細(xì)胞和薄層組織(如血液細(xì)胞、精子、卵子、胚胎、各種干細(xì)胞、骨髓、皮膚、角膜、血管及心臟瓣膜等)，這些材料的保存給臨床醫(yī)學(xué)技術(shù)帶來了巨大變化，影響到了整個(gè)社會(huì)。此外，在農(nóng)林畜牧行業(yè)，動(dòng)植物優(yōu)良品種的快速繁殖，在環(huán)境保護(hù)方面，瀕危動(dòng)植物種質(zhì)資源的保存和人工繁育，在食品制造和釀酒行業(yè)，優(yōu)良菌株的保存和延續(xù)，在生物醫(yī)學(xué)科學(xué)研究中，典型培養(yǎng)物的保持，低溫保存都有著十分廣泛的應(yīng)用。
[0003]在低溫保存的過程中，細(xì)胞會(huì)經(jīng)歷從室溫到低溫、從低溫再到室溫的溫度變化，為避免細(xì)胞在低溫下受到傷害，添加一定量的低溫保護(hù)劑(如甘油、二甲亞砜等小分子，白蛋白、羥乙基淀粉等大分子)是常規(guī)做法，從室溫到低溫前加載低溫保護(hù)劑，從低溫恢復(fù)到室溫后洗脫低溫保護(hù)劑。低溫保護(hù)劑對(duì)細(xì)胞往往具有毒副作用，這種毒性作用與保護(hù)劑的理化性質(zhì)、溫度、濃度和時(shí)間等因素都有關(guān)系，一般規(guī)律是，溫度越高、濃度越大、細(xì)胞在其中的時(shí)間越長，細(xì)胞所受的毒性損傷越大。在溫度低于零度時(shí)，細(xì)胞內(nèi)外可能結(jié)冰，冰晶會(huì)帶來胞內(nèi)結(jié)構(gòu)破壞、蛋白質(zhì)變性等一系列使得細(xì)胞受損的后果，對(duì)于有一定體積的生物組織，冰晶還可能使得組織出現(xiàn)微裂紋，細(xì)胞間的聯(lián)系受到破壞。玻璃化法是一種通過使用高濃度低溫保護(hù)劑來避免冰晶形成的低溫保存方法，其成功保存生物材料的關(guān)鍵在于，如何減少在向生物材料內(nèi)部加載低溫保護(hù)劑以及從生物材料內(nèi)部洗脫低溫保護(hù)劑的過程中低溫保護(hù)劑對(duì)細(xì)胞的毒性損傷。對(duì)于有一定尺寸的生物組織，低溫保護(hù)劑進(jìn)入其中心位置細(xì)胞相比進(jìn)入薄層組織或懸浮細(xì)胞所花的時(shí)間要長得多，毒性損傷問題更為嚴(yán)重。為了減輕毒性損傷，可利用低溫保護(hù)劑毒性隨濃度和溫度降低而減少的特點(diǎn)，在向生物材料內(nèi)部加載低溫保護(hù)劑時(shí)采取邊降溫邊提高濃度的方式，最終達(dá)到玻璃化所需濃度，而在從生物材料內(nèi)部洗脫低溫保護(hù)劑時(shí)采取邊升溫邊降低濃度的方式，最終使?jié)舛冉咏鼮榱?。本?shí)用新型為上述操作的自動(dòng)化裝置實(shí)現(xiàn)提供一種技術(shù)方案。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型的目的是提供一種生物材料低溫保存用裝置，該裝置能夠使生物材料在可控的溫度和濃度條件下進(jìn)行低溫保護(hù)劑的加載和洗脫，從而最大程度地實(shí)現(xiàn)保存其活性。
[0005]一種生物材料低溫保存用裝置，它主要包括溶液濃度控制部分以及溶液溫度控制部分，溶液濃度控制部分包括多個(gè)溶液儲(chǔ)罐、多路切換閥、蠕動(dòng)泵、凍存容器、廢液收集桶、數(shù)據(jù)采集控制接口板、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、溶液輸送管；
[0006]溶液溫度控制部分包括所述的凍存容器、溫度傳感器、液氮罐、換熱器、電磁閥、攪拌風(fēng)機(jī)、電加熱器、所述的數(shù)據(jù)采集控制接□板、所述的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、保溫箱、液氮輸送管、噴嘴；溶液儲(chǔ)罐、多路切換閥、蠕動(dòng)泵、換熱器的溶液側(cè)、凍存容器、廢液收集桶順次用溶液輸送管連接；液氮罐、電磁閥、換熱器的液氮側(cè)順次用液氮輸送管連接；工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集控制接口板相連，數(shù)據(jù)采集控制接口板與多路切換閥、電磁閥、電加熱器、溫度傳感器相連；噴嘴位于保溫箱的底部，攪拌風(fēng)機(jī)位于保溫箱的頂部。
[0007]所述的溶液儲(chǔ)罐根據(jù)生物材料的低溫保存方案確定，數(shù)量為2-10個(gè)，多路切換閥的最大路數(shù)為10。
[0008]所述的凍存容器放在支架上，可以從支架上取出，支架放在保溫箱內(nèi)。
[0009]本實(shí)用新型的有益效果:
[0010]本實(shí)用新型通過兩方面的措施來調(diào)節(jié)凍存容器內(nèi)溶液的溫度，一方面通過液氮供冷的換熱器使低溫保護(hù)劑溶液在注入凍存容器前降至設(shè)定溫度，另一方面將液氮噴入保溫箱使樣品容器周圍的空間溫度維持在設(shè)定溫度附近。
[0011 ] 本實(shí)用新型中凍存容器內(nèi)溶液的濃度隨時(shí)間呈梯度變化，濃度升高的方法是將更高濃度的低溫保護(hù)劑溶液泵入凍存容器，同時(shí)將凍存容器內(nèi)原有溶液泵出，濃度降低的方法是將更低濃度的低溫保護(hù)劑溶液泵入凍存容器，同時(shí)將凍存容器內(nèi)原有溶液泵出，新的溶液進(jìn)入凍存容器后都會(huì)保持事先設(shè)定的一段時(shí)間。
[0012]本實(shí)用新型中生物材料被放在凍存容器內(nèi)進(jìn)行降溫，在生物材料內(nèi)部低溫保護(hù)劑溶液濃度達(dá)到玻璃化所需濃度后，一般應(yīng)將凍存容器轉(zhuǎn)移至低溫冰箱或儲(chǔ)存用液氮罐，但條件不具備時(shí)也可以增大噴入保溫箱的液氮量，使得箱內(nèi)溫度達(dá)到低溫冰箱的溫度位。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是一種生物材料低溫保存用裝置結(jié)構(gòu)示意圖，
[0014]圖中:溶液儲(chǔ)罐(1-1、1_2、1-5、1-6)、多路切換閥2、液氮罐3、蠕動(dòng)泵4、電磁閥(5-1、5-2)、廢液收集桶6、換熱器7、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)8、數(shù)據(jù)采集控制接口板9、攪拌風(fēng)機(jī)
10、電加熱器11、凍存容器12、支架13、保溫箱14、噴嘴15、第一溫度傳感器Tl、第二溫度傳感器T2、第三溫度傳感器T3、第四溫度傳感器T4。

【具體實(shí)施方式】
[0015]如附圖所示，一種生物材料低溫保存用裝置包括多個(gè)溶液儲(chǔ)罐(1-1、1_2、1-5、1-6，這里僅示4個(gè)，可以多至10個(gè))、多路切換閥2 (最大路數(shù)為10)、液氮罐3 (為自增壓型或電增壓型液氮罐，罐上配置有廠家裝好的壓力表和安全閥)蠕動(dòng)泵4 (為雙通道型，在使用同種規(guī)格的蠕動(dòng)泵管時(shí)，這兩個(gè)通道的溶液流量相等)、電磁閥5-1 (為低溫型，即在液氮溫度下能夠長期無故障運(yùn)行)、電磁閥5-2、廢液收集桶6、換熱器7、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)8、數(shù)據(jù)采集控制接口板9、保溫箱14、電加熱器11、凍存容器12、溫度傳感器Tl (為能夠測(cè)量液氮溫度的傳感器，如鉬電阻、T型熱電偶、K型熱電偶，經(jīng)數(shù)據(jù)采集控制接口板轉(zhuǎn)換后，其綜合測(cè)溫準(zhǔn)確度應(yīng)達(dá)到±0.5°C)、溫度傳感器T2、溫度傳感器T3、溫度傳感器T4 ;液氮罐3頂端設(shè)有安全閥，保溫箱14內(nèi)設(shè)有安放凍存容器12的支架，溶液儲(chǔ)罐并行與多路切換閥2相連，多路切換閥2的出口接入雙通道蠕動(dòng)泵4的其中一個(gè)通道，該通道出口接換熱器7的溶液側(cè)入口，換熱器7的溶液側(cè)出口連接凍存容器12，凍存容器12的溶液出管連接雙通道蠕動(dòng)泵4的另一個(gè)通道，該通道出口接廢液收集桶6 ;液氮罐3并行連接電磁閥，其中一個(gè)電磁閥5-1出口連接噴嘴15，將液氮噴入保溫箱14，另外一個(gè)電磁閥5-2出口連接至換熱器7的液氮側(cè)，液氮在冷卻溶液后變成氮?dú)馀胖链髿?；第一溫度傳感器Tl布置于換熱器7的溶液側(cè)出口，第二溫度傳感器T2布置于凍存容器12的溶液出管管路上，第三溫度傳感器T3布置于保溫箱14內(nèi)，第四溫度傳感器T4布置于與電磁閥連接的液氮輸送管道上，這些溫度傳感器信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集控制接口板9，數(shù)據(jù)采集控制接口板9與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)8相連，數(shù)據(jù)采集控制接口板9與多路切換閥2、電磁閥、電加熱器11相連。
[0016]本實(shí)用新型主要由兩部分組成:溶液溫度控制以及溶液濃度協(xié)同控制，是指濃度、溫度的變化存在制約關(guān)系，具體來說，在降溫的過程中濃度是逐漸增加的，在升溫的過程中濃度是逐漸降低的，在降溫或升溫的任一時(shí)刻，溶液的溫度都高于溶液的凍結(jié)溫度。
[0017]溶液溫度控制部分的作用是使溫度按照設(shè)定時(shí)間曲線梯度下降或上升，包括所述的凍存容器12、溫度傳感器、液氮罐3、換熱器7、電磁閥5、攪拌風(fēng)機(jī)10、電加熱器11、所述的數(shù)據(jù)采集控制接口板9、所述的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)8、保溫箱14、液氮輸送管、噴嘴15。
[0018]溶液濃度控制部分的作用是使?jié)舛劝凑赵O(shè)定時(shí)間曲線梯度增加或減少，包括多個(gè)溶液儲(chǔ)罐、多路切換閥2、蠕動(dòng)泵4、凍存容器12、廢液收集桶6、數(shù)據(jù)采集控制接口板9、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)8、溶液輸送管。
[0019]溶液溫度控制部分和溶液濃度控制部分共用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集控制接口板，溫度和濃度隨時(shí)間的變化曲線設(shè)定通過計(jì)算機(jī)的軟件實(shí)施。該軟件對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是常規(guī)技術(shù)，所以不再展開。
[0020]在應(yīng)用本實(shí)用新型所述裝置進(jìn)行生物材料的低溫保存之前，首先需要根據(jù)生物材料的性質(zhì)合理選擇低溫保護(hù)劑的種類，其次需要根據(jù)低溫保護(hù)劑生物材料的滲透特性確定低溫保護(hù)劑加載、洗脫步驟，每一步驟包括保護(hù)劑濃度、溫度及持續(xù)時(shí)間等定量參數(shù)，低溫保護(hù)劑溶液凍結(jié)點(diǎn)溫度與保護(hù)劑濃度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是進(jìn)行該項(xiàng)工作的基礎(chǔ)。
[0021]對(duì)生物材料進(jìn)行低溫保護(hù)劑加載的工作過程如下所述。生物材料一開始置放于沒有低溫保護(hù)劑的保存液中，放在凍存容器內(nèi)，凍存容器放在保溫箱內(nèi)的支架上，將溶液輸送管連接至凍存容器；在計(jì)算機(jī)控制下，蠕動(dòng)泵將濃度為X1的低濃度低溫保護(hù)劑溶液儲(chǔ)罐內(nèi)的溶液泵出，經(jīng)換熱器冷卻至高于溶液凍結(jié)點(diǎn)的某一溫度Tsl，送至凍存容器，溶液輸送量略多于全部替換凍存容器內(nèi)原有溶液所需溶液量，輸送量達(dá)到要求后暫停蠕動(dòng)泵運(yùn)行，同時(shí)，在計(jì)算機(jī)控制下，經(jīng)電磁閥和噴嘴噴入保溫箱液氮，使箱內(nèi)溫度達(dá)到Tsl，生物材料在溫度為Tsl、濃度為X1的低溫保護(hù)劑溶液中處理設(shè)定時(shí)間h ;在計(jì)算機(jī)控制下，蠕動(dòng)泵再次啟動(dòng)，將濃度為X2 (X2> X1)的低溫保護(hù)劑溶液自儲(chǔ)罐內(nèi)泵出，經(jīng)換熱器冷卻至高于溶液凍結(jié)點(diǎn)的某一溫度Ts2，送至凍存容器，溶液輸送量略多于全部替換凍存容器內(nèi)原有溶液所需溶液量，輸送量達(dá)到要求后暫停蠕動(dòng)泵運(yùn)行，同時(shí)，在計(jì)算機(jī)控制下，經(jīng)電磁閥和噴嘴噴入保溫箱液氮，使箱內(nèi)溫度達(dá)到Ts2，生物材料在溫度為Ts2、濃度為X2的低溫保護(hù)劑溶液中處理設(shè)定時(shí)間t2 ;在計(jì)算機(jī)控制下，重復(fù)上述步驟，不斷提高低溫保護(hù)劑溶液的濃度，降低其溫度，直到達(dá)到最終濃度xn、溫度Tsn，生物材料在該溶液中處理時(shí)間tn ;從保溫箱內(nèi)取出凍存容器，將其放入低溫冰箱或液氮容器中儲(chǔ)存。以最常見的低溫保護(hù)劑二甲亞砜加載處理某一厚度的羊關(guān)節(jié)軟骨片為例，上述溫度、濃度、處理時(shí)間步驟可以為如下表I所示:
[0022]表I
否I聚i I溫度TS1.(°C)I濃度X1.(%，w/w)I處理時(shí)間tjmin)~
122~To10—
222~2010—
3~5~2930—
4~8Γ5?830—
5~Τ6~4730—
6~23~?630—
7~3T30—
81-48.5172130—
[0023]對(duì)生物材料進(jìn)行低溫保護(hù)劑洗脫的工作過程如下所述。凍存容器一開始置放于低溫冰箱或液氮容器中，生物材料放在凍存容器內(nèi)，將凍存容器取出放在保溫箱內(nèi)的支架上，將溶液輸送管連接至凍存容器；在計(jì)算機(jī)控制下，蠕動(dòng)泵將濃度為X1的高濃度低溫保護(hù)劑溶液儲(chǔ)罐內(nèi)的溶液泵出，經(jīng)換熱器冷卻至高于溶液凍結(jié)點(diǎn)的某一溫度Tsl，送至凍存容器，溶液輸送量略多于全部替換凍存容器內(nèi)原有溶液所需溶液量，輸送量達(dá)到要求后暫停蠕動(dòng)泵運(yùn)行，同時(shí)，在計(jì)算機(jī)控制下，經(jīng)電磁閥和噴嘴噴入保溫箱液氮，使箱內(nèi)溫度達(dá)到Tsl，生物材料在溫度為Tsl、濃度為X1的低溫保護(hù)劑溶液中處理設(shè)定時(shí)間h ;在計(jì)算機(jī)控制下，蠕動(dòng)泵再次啟動(dòng)，將濃度為X2 (x2< X1)的低溫保護(hù)劑溶液自儲(chǔ)罐內(nèi)泵出，經(jīng)換熱器冷卻至高于溶液凍結(jié)點(diǎn)的某一溫度Ts2，送至凍存容器，溶液輸送量略多于全部替換凍存容器內(nèi)原有溶液所需溶液量，輸送量達(dá)到要求后暫停蠕動(dòng)泵運(yùn)行，同時(shí)，在計(jì)算機(jī)控制下，經(jīng)電磁閥和噴嘴噴入保溫箱液氮，電加熱器啟動(dòng)，在冷卻和加熱聯(lián)合作用下使箱內(nèi)溫度達(dá)到Ts2，生物材料在溫度為Ts2、濃度為X2的低溫保護(hù)劑溶液中處理設(shè)定時(shí)間t2 ;在計(jì)算機(jī)控制下，重復(fù)上述步驟，不斷降低低溫保護(hù)劑溶液的濃度，升高其溫度，直到達(dá)到最終濃度Xn (—般為0%)、溫度Tsn,生物材料在該溶液中處理時(shí)間tn ;從保溫箱內(nèi)取出凍存容器，將生物材料從凍存容器中取出做進(jìn)一步處理。以上述羊關(guān)節(jié)軟骨片處理為例，其洗脫過程溫度、濃度、處理時(shí)間步驟可以為
[0024]如下表2所示:
[0025]表2
否I聚i I溫度TS1.(°C) I濃度X1.(%，w/w) I處理時(shí)間tjmin) ~
1~48? 5To30—
2~3Γ2030—
3~23~2930—
4~?Γ?830—
5~8Γ54730—
6~5~?630—
7122丨63丨45—
【權(quán)利要求】
1.一種生物材料低溫保存用裝置，其特征在于:它主要包括溶液濃度控制部分以及溶液溫度控制部分，溶液濃度控制部分包括多個(gè)溶液儲(chǔ)罐、多路切換閥(2 )、蠕動(dòng)泵(4 )、凍存容器(12)、廢液收集桶(6)、數(shù)據(jù)采集控制接口板(9)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(8)、溶液輸送管；溶液溫度控制部分包括所述的凍存容器(12)、溫度傳感器、液氮罐(3)、換熱器(7)、電磁閥(5)、攪拌風(fēng)機(jī)(10)、電加熱器(11)、所述的數(shù)據(jù)采集控制接口板(9)、所述的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(8)、保溫箱(14)、液氮輸送管、噴嘴(15)； 溶液儲(chǔ)罐、多路切換閥(2 )、蠕動(dòng)泵(4)、換熱器(7 )的溶液側(cè)、凍存容器(12 )、廢液收集桶(6)順次用溶液輸送管連接；液氮罐(3)、電磁閥、換熱器(7)的液氮側(cè)順次用液氮輸送管連接；工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(8)與數(shù)據(jù)采集控制接口板(9)相連，數(shù)據(jù)采集控制接口板(9)與多路切換閥(2)、電磁閥、電加熱器(11)、溫度傳感器相連；噴嘴(15)位于保溫箱(14)的底部，攪拌風(fēng)機(jī)(10)位于保溫箱(14)的頂部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:溶液儲(chǔ)罐根據(jù)生物材料的低溫保存方案確定，數(shù)量為2-10個(gè)，多路切換閥(2)的最大路數(shù)為10。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:所述的凍存容器(12)放在支架(13)上，可以從支架(13)上取出，支架(13)放在保溫箱(14)內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:所述的裝置設(shè)有多個(gè)溫度傳感器，其中第一溫度傳感器(Tl)布置于換熱器(7 )的溶液側(cè)出口，第二溫度傳感器(T2 )布置于凍存容器(12)的溶液出管管路上，第三溫度傳感器(T3)布置于保溫箱(14)內(nèi)，第四溫度傳感器(T4)布置于與電磁閥連接的液氮輸送管道上。
【文檔編號(hào)】A01N1/02GK203952247SQ201420409821
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】姜紅強(qiáng), 張紹志, 蔣青, 呂維敏 申請(qǐng)人:浙江省醫(yī)療器械研究所, 浙江大學(xué)