CN104542575B - 一种生物样品冻存装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种生物样品冻存装置，包括：用于封装生物样品的冻存管，所述冻存管内设置有具有生物相容性的射频天线；与所述射频天线信号输入端相连的微波信号源；和温度监控单元，用于监控所述冻存管内生物样品的温度。本申请还提供了一种生物样品冻存方法，将生物样品放置于设置有射频天线的冻存管中，降温并保存；所述射频天线具有生物相容性，且其信号输入端连有微波信号源；将所述保存有生物样品的冻存管放置于恒温浴中，开启所述射频天线，进行复温；并且，采用温度监控单元监控所述冻存管内生物样品的温度。本申请实施例采用电磁场复温，对生物组织具有体积加热效果，再结合恒温水浴，可实现快速、均匀复温。
Description
技术领域
本申请涉及低温生物医学技术领域，特别涉及一种生物样品冻存装置及方法。
背景技术
生物材料的低温保存，是指采用特殊的方法将生物材料冷却至低温，并长期保存；待需要时，可将生物材料按特殊的方法加热至正常温度，仍然可保持其活性。典型的低温保存主要包括五个步骤：添加保护剂、降温、长期保存、复温、去除保护剂。
在低温保存过程中，生物材料不可避免会遭受各种损伤，其主要引发因素包括：溶液浓度的改变、冰晶的生长、降温和复温过程中样品内部的温度梯度、复温过程的反玻璃化和再结晶等。因此，快速、均匀的降温和复温，是实现生物样品成功保存的重要条件。目前，冻存管是低温保存过程中大量使用的冻存容器。传统的复温方式是将冻存管置于37℃恒温水浴中，边摇动边被动复温。
然而，传统冻存方法存在一些明显的缺陷：由于冻存管的宏观尺寸，加上主要依靠热量从外向内的传导方式，热量传输的速度有限，生物材料样品内部各个位置在降复温过程中的温度差异较大，样品内外温度梯度较大，产生较大的热应力，易引发断裂和微裂纹；同时复温速率不够快，会导致严重的反玻璃化和再结晶，从而严重影响保存的效果和存活率。
发明内容
为了克服现有技术的上述不足之处，本申请提供一种生物样品冻存装置及方法，本申请能加快复温速率，且提高复温过程中生物样品内部的温度均匀性。
本申请提供一种生物样品冻存装置，包括：
用于封装生物样品的冻存管，所述冻存管内设置有具有生物相容性的射频天线；
与所述射频天线信号输入端相连的微波信号源；
和温度监控单元，用于监控所述冻存管内生物样品的温度。
优选的，所述射频天线内嵌于冻存管管盖上。
优选的，所述射频天线的数量为1个，且位于所述冻存管管盖中心位置。
优选的，所述射频天线的长度为10mm～40mm；所述射频天线的频率为434MHz～2450MHz。
优选的，所述射频天线为单缝隙同轴天线，包括：同轴导体和包覆于所述同轴导体的筒套；所述筒套的制作材料为聚四氟乙烯。
优选的，所述冻存管内还设置有磁性纳米颗粒。
优选的，所述温度监控单元包括：温度传感设备和温度记录设备；
所述温度传感设备设置在所述冻存管内，且与所述温度记录设备相连。
本申请还提供一种生物样品冻存方法，包括以下步骤：
将生物样品放置于设置有射频天线的冻存管中，降温并保存；所述射频天线具有生物相容性，且其信号输入端连有微波信号源；
将所述保存有生物样品的冻存管放置于恒温浴中，开启所述射频天线，进行复温；并且，采用温度监控单元监控所述冻存管内生物样品的温度。
优选的，所述射频天线的长度为10mm～40mm；所述射频天线的频率为434MHz～2450MHz。
优选的，所述冻存管内还设置有磁性纳米颗粒。
与现有技术相比，本申请提供的生物样品冻存装置主要由射频天线、微波信号源、冻存管和温度监控单元几部分组成。其中，所述冻存管用于封装生物材料的样品，以及可在低温下长期储存；所述微波信号源为射频天线提供输入功率；所述温度监控单元记录冻存管内的生物样品的温度，以达到对样品温度实时监控的目的。所述射频天线具有生物相容性，能与冻存的生物组织紧密结合；同时所述射频天线可激发并扩散电磁场，从而产生空间电磁场。本申请实施例将生物样品放置于设置有射频天线的冻存管中，降温并保存；所述射频天线具有生物相容性，且其信号输入端连有微波信号源；将所述保存有生物样品的冻存管放置于恒温浴中，开启所述射频天线，进行复温；并且，采用温度监控单元监控所述冻存管内生物样品的温度。在本申请中，生物组织内部的水分子在电场作用下振动，相互碰撞摩擦产生热效应，将电磁能转变成热能，从而使冻结的生物样品解冻。本申请实施例采用电磁场复温，对生物组织具有体积加热效果，再结合37℃恒温水浴，可实现快速均匀复温，从而避免复温过程产生反玻璃化和再结晶，并可有效降低降复温过程引发的热应力等因素造成的机械损伤。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例1提供的冻存装置的结构示意图；
图2为本申请实施例中射频天线的结构示意图；
图3为本申请实施例中射频天线的剖视图；
图4为本申请实施例2提供的冻存管的结构剖视图；
图5为本发明实施例和比较例复温100s内生物样品的温度梯度；
图6为本发明实施例和比较例复温在120s内的复温速率。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请提供了一种生物样品冻存装置，包括：
用于封装生物样品的冻存管，所述冻存管内设置有具有生物相容性的射频天线；
与所述射频天线信号输入端相连的微波信号源；
和温度监控单元，用于监控所述冻存管内生物样品的温度。
本发明提出了一种射频天线辅助的生物样品冻存装置，可在加快复温速率的同时，提高复温过程中生物样品内部的温度均匀性，实现快速均匀复温，从而避免复温过程产生反玻璃化和再结晶，并可有效降低降复温过程引发的热应力等因素造成的机械损伤。
参见图1，图1为本申请实施例1提供的冻存装置的结构示意图。图1中，1为冻存管管盖，2为射频天线，3为生物样品，4为冻存管管体，5为微波信号源，6为温度记录仪，7为热电偶。
在本发明中，所述生物样品冻存装置包括冻存管，用于封装生物样品，且可在低温下长期储存。所述冻存管的形状、尺寸和材质等采用本领域常用的即可；在本申请的一个实施例中，所述冻存管的长度为44mm，内径为9.7mm，外径为10.98mm。本发明实施例的冻存管主要由冻存管管盖1和冻存管管体4构成，待冻存的生物样品3放置于两者之间的空间。
在所述冻存管内，本发明实施例设置有射频天线2。所述射频天线具有生物相容性，能与冻存的生物组织紧密结合。并且，射频天线2信号输入端连有微波信号源5；所述微波信号源为射频天线提供输入功率，所述射频天线可激发并扩散电磁场，从而产生空间电磁场。因此，本申请复温时，生物组织内部的水分子在电场作用下振动，相互碰撞摩擦产生热效应，将电磁能转变成热能，从而使冻结的生物样品解冻。本申请实施例采用电磁场复温，对生物组织具有体积加热效果，再结合37℃恒温水浴，可实现快速均匀复温，从而避免复温过程产生反玻璃化和再结晶，并可有效降低降复温过程引发的热应力等因素造成的机械损伤。
其中，所述微波信号源采用本领域技术人员熟知的设备，能为射频天线提供输入功率即可。一般地，所述输入功率的范围可为10W～150W。
在本申请的一个实施例中，射频天线2内嵌于冻存管管盖1上；在降温冷冻时，装入生物样品后快速地插入内嵌射频天线2的冻存管管盖1即可，操作简便。所述射频天线优选位于冻存管管盖中心位置；所述射频天线的数量可为1个。作为优选，所述射频天线的长度为10mm～40mm；所述射频天线的直径为0.5mm～5mm。所述射频天线的频率优选为434MHz～2450MHz；本发明实施例可将所述射频天线的频率设置为434MHz，具有更长的波长，所以具有穿透力强、热效率高、升温速度快和热场均匀等优点。
本申请对所述射频天线没有特殊限制；具体的，所述射频天线优选为单缝隙同轴天线，包括：同轴导体和包覆于所述同轴导体的筒套。
参见图2，图2为本申请实施例中射频天线的结构示意图；图2中，8为同轴导体，9为筒套，10为射频天线单缝。在本申请实施例中，所述射频天线是以低损耗的同轴电缆为导体材料，即图2中示出的同轴导体8；天线的筒套9包覆在同轴导体8外。所述筒套优选由具有良好的生物相容性的材料聚四氟乙烯(PTFE)制成，使射频天线具有生物相容性。
本申请实施例所述射频天线是单缝隙同轴天线，其中在外导体的尖端附近切口有环形缝隙，如图2所示的射频天线单缝10，能让天线最大限度地减少微波能量的反馈，而使能量主要集中于尖端位置，即提高尖端位置的比吸收率(SAR)。
参见图3，图3为本申请实施例中射频天线的剖视图。图3中，81为射频天线内导体，82为射频天线导电介质，83为射频天线外导体；9为筒套，10为射频天线单缝。在本申请实施例射频天线内导体81端口处加入输入功率，在射频天线导电介质82和射频天线外导体83作用下产生电磁场。筒套9可由具有良好的生物相容性的材料聚四氟乙烯制成，与冻存的生物组织紧密结合。产生的电磁场在射频天线单缝10向天线的周围扩散，从而产生空间电磁场。
对于射频天线的具体尺寸，在本申请的一个实施例中，所述筒套的宽度可为0.2mm～1mm；所述射频天线单缝的长度可为1mm，所述射频天线单缝与射频天线尖端的距离可为5.5mm；所述射频天线内导体的宽度可为0.2mm～1mm，所述射频天线导电介质的宽度可为0.1mm～0.5mm，所述射频天线外导体的宽度可为0.1mm～0.5mm。
在所述冻存管内，本申请优选还设置有磁性纳米颗粒。本申请实施例在冻存管内的空间不同位置选择性地加入磁性纳米颗粒，优选加入Fe3O4。参见图4，图4为本申请实施例2提供的冻存管的结构剖视图。图4中，1为冻存管管盖1，2为射频天线，3为生物样品，4为冻存管管体，7为热电偶，11为Fe3O4。
本申请实施例加入的磁性纳米颗粒如图4中11示出的Fe3O4，可使用注射器在合适位置注入，如分布于冻存管的下部；在电磁场作用下，磁性纳米颗粒吸收电磁能，转化为热能，从而进一步加快复温速率和提高复温过程样品内部的温度均匀性。所述磁性纳米颗粒的粒度可为10nm～100nm；所述磁性纳米颗粒的加入量优选为1020～1022/m3。
在本申请中，所述生物冻存装置包括温度监控单元，用于监控所述冻存管内生物样品的温度。本申请对所述温度监控单元没有特殊限制；所述温度监控单元优选包括：温度传感设备和温度记录设备；所述温度传感设备设置在所述冻存管内，且与所述温度记录设备相连。
在本申请的一个实施例中，所述温度记录设备为温度记录仪6，实时监控冻存管内的温度变化；与之相连的温度传感设备为本领域技术人员熟知的热电偶7。其中，热电偶7可以贴近射频天线2设置，也可以采用本领域技术人员常用的其他设置方式。
相应的，本申请还提供了一种生物样品冻存方法，包括以下步骤：
将生物样品放置于设置有射频天线的冻存管中，降温并保存；所述射频天线具有生物相容性，且其信号输入端连有微波信号源；
将所述保存有生物样品的冻存管放置于恒温浴中，开启所述射频天线，进行复温；并且，采用温度监控单元监控所述冻存管内生物样品的温度。
本申请实施例首先进行冷冻过程：将生物样品放入冻存管中，然后快速地插入内嵌射频天线的冻存管管盖，将整个冻存管降温冷冻，并保存。
在本申请中，待冻存的生物样品可为菌种的悬浮液等材料，本申请对此并无特殊限制。所述冻存管和射频天线等与前文所述的内容一致，在此不再赘述。本申请可以在液氮中进行降温，也可以采用其他冷冻方式。本申请对降温的温度、保存的方式和时间等也没有特殊限制。
当要使用生物样品时，本申请实施例进行复温过程：将所述保存有生物样品的冻存管放置于恒温浴中，开启与微波信号源连接的射频天线，通过恒温浴结合空间电磁场进行复温，实现空间加热复温；与此同时，采用温度监控单元监控所述冻存管内的温度变化，直至完成生物样品的复温。
在本申请中，所述微波信号源和温度监控单元等与前文所述的内容一致，在此不再赘述。本申请所述恒温浴一般为37℃的恒温水浴；所述射频天线优选同步开启，直到采集到的温度达到37℃时，停止射频天线工作，完成生物样品的复温。
本申请复温过程中，生物组织内部的水分子在电场作用下振动，相互碰撞摩擦产生热效应，将电磁能转变成热能，从而使冻结的生物样品解冻。本申请实施例采用电磁场复温，对生物组织具有体积加热效果，再结合37℃恒温水浴，可实现快速均匀复温，从而避免复温过程产生反玻璃化和再结晶，并可有效降低降复温过程引发的热应力等因素造成的机械损伤。
进一步的，本申请可在冻存管内加入磁性纳米颗粒，在电磁场作用下，磁性纳米颗粒吸收电磁能，转化为热能，从而进一步增强复温速率和复温过程样品内部的温度均匀性。
为了进一步说明本申请，下面结合实施例对本申请提供的一种生物样品冻存装置及方法进行具体地描述，但不能将它们理解为对本申请保护范围的限定。
实施例1
生物样品冻存装置的结构参见图1～3。其中，射频天线2直径为0.5mm～5mm，射频天线2长度为10mm～40mm；筒套9宽度为0.2mm～1mm，射频天线单缝10长度为1mm，射频天线单缝10处与射频天线尖端的距离为5.5mm，射频天线内导体81宽度为0.2mm～1mm，射频天线导电介质82宽度为0.1mm～0.5mm，射频天线外导体83宽度为0.1mm～0.5mm；所述射频天线的频率设置为434MHz；
冻存管长度为44mm，冻存管内径为9.7mm，冻存管外径为10.98mm。
本申请实施例首先进行冷冻过程：将悬浮在1.5mol/L的低温保护剂溶液中的生物样品3放入冻存管中，然后快速地插入内嵌射频天线2的冻存管管盖1，将整个冻存管放入温度为-196℃的液氮中降温冷冻，并保存。
保存24小时甚至更长时间后，本申请实施例进行复温过程：将所述保存有生物样品的冻存管从液氮中快速取出，放入37℃的恒温水浴中，同步开启与微波信号源5连接的射频天线2，通过37℃的恒温水浴结合空间电磁场进行复温，实现空间加热复温；与此同时，使用温度记录仪6和热电偶7实时监控冻存管内的温度变化，直到采集到的温度达到37℃，停止射频天线2工作，完成生物样品的复温。
本实施例复温过程在100s内生物样品的温度梯度如图5所示，图5为本发明实施例和比较例复温100s内生物样品的温度梯度。
本实施例复温过程在120s内的复温速率如图6所示，图6为本发明实施例和比较例复温在120s内的复温速率。
实施例2
生物样品冻存装置的结构参见图2～4。装置尺寸同实施例1，不同的是，在冻存管下部加入粒度为30nm、用量为1021/m3Fe3O4。
本申请实施例首先进行冷冻过程：将悬浮于1.5mol/L的低温保护剂溶液中的生物样品3放入冻存管中，然后使用注射器注入Fe3O4纳米颗粒11，再快速地插入内嵌射频天线2的冻存管管盖1，将整个冻存管放入温度为-196℃的液氮中降温冷冻，并保存。
保存一周甚至更长时间后，本申请实施例进行复温过程：将所述保存有生物样品的冻存管从液氮中快速取出，放入37℃的恒温水浴中，同步开启与微波信号源5连接的射频天线2，通过37℃的恒温水浴结合空间电磁场进行复温，实现空间加热复温；与此同时，使用温度记录仪6和热电偶7实时监控冻存管内的温度变化，直到采集到的温度达到37℃，停止射频天线2工作，完成生物样品的复温。
本实施例复温过程在100s内生物样品的温度梯度如图5所示；本实施例复温过程在120s内的复温速率如图6所示。
比较例
按照实施例1的方法进行冷冻和复温过程，不同的是，本比较例仅采用37℃恒温水浴进行复温，而没有射频天线加热复温。
本比较例复温过程在100s内生物样品的温度梯度如图5所示；本比较例复温过程在120s内的复温速率如图6所示。
由图5可以看出，本申请实施例采用37℃水浴和射频天线加热的方式进行复温，使得生物样品的温度梯度得到了明显地改善；而再加入磁性纳米颗粒复温，进一步改善了温度梯度。由图6可以看出，本申请实施例采用37℃水浴和射频天线加热的方式进行复温，能明显地提高复温速率；而再加入磁性纳米颗粒复温，进一步使复温速率得到提高。
Claims (10)
1.一种生物样品冻存装置，包括：
用于封装生物样品的冻存管，所述冻存管内设置有具有生物相容性的射频天线；
与所述射频天线信号输入端相连的微波信号源；
和温度监控单元，用于监控所述冻存管内生物样品的温度。
2.根据权利要求1所述的冻存装置，其特征在于，所述射频天线内嵌于冻存管管盖上。
3.根据权利要求2所述的冻存装置，其特征在于，所述射频天线的数量为1个，且位于所述冻存管管盖中心位置。
4.根据权利要求1～3任一项所述的冻存装置，其特征在于，所述射频天线的长度为10mm～40mm；所述射频天线的频率为434MHz～2450MHz。
5.根据权利要求1～3任一项所述的冻存装置，其特征在于，所述射频天线为单缝隙同轴天线，包括：同轴导体和包覆于所述同轴导体的筒套；所述筒套的制作材料为聚四氟乙烯。
6.根据权利要求1～3任一项所述的冻存装置，其特征在于，所述冻存管内还设置有磁性纳米颗粒。
7.根据权利要求1～3任一项所述的冻存装置，其特征在于，所述温度监控单元包括：温度传感设备和温度记录设备；
所述温度传感设备设置在所述冻存管内，且与所述温度记录设备相连。
8.一种生物样品冻存方法，包括以下步骤：
将生物样品放置于设置有射频天线的冻存管中，降温并保存；所述射频天线具有生物相容性，且其信号输入端连有微波信号源；
将所述保存有生物样品的冻存管放置于恒温浴中，开启所述射频天线，进行复温；并且，采用温度监控单元监控所述冻存管内生物样品的温度。
9.根据权利要求8所述的冻存方法，其特征在于，所述射频天线的长度为10mm～40mm；所述射频天线的频率为434MHz～2450MHz。
10.根据权利要求8所述的冻存方法，其特征在于，所述冻存管内还设置有磁性纳米颗粒。
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| PB01 | Publication | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |