CN105532638B - 一种用于低温保存生物材料的仪器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于低温保存生物材料的仪器装置，至少包括低温保护剂储槽、保护剂稀释缓冲液储槽、微型电磁阀、微型电磁阀、恒流泵、可编程控制器、PC计算机、数据采集卡、电磁反馈密度传感系统、温度测量传感、无菌过滤器、容器盖、生物材料储存容器、不锈钢容器外壳、温度控制装置、小型蠕动泵、阀门。该装置能够严格控制低温保护剂添加，同时控制整个致冷过程；在控制复温时，也同步洗脱低温保护剂，能最大程度地降低了低温保护剂的毒性作用，使组织细胞在常温状态下、在规定的时间范围内达到低温状态，且能在需要时，在规定的时间内将标本由低温状态恢复至常温状态。

Description

一种用于低温保存生物材料的仪器装置

技术领域

本发明涉及低温保存生物材料的仪器装置和容器技术领域，具体为一种用于低温保存生物材料的仪器装置。该仪器装置在添加低温保护剂溶液时，可同时控制溶液和材料的降温过程；在控制溶液和材料复温时，也能同步洗脱低温保护剂。

背景技术

随着科技的发展，生物材料(蛋白质、核酸、细胞、细胞器、组织和器官等)的低温保存技术已经在制药、生物工程、组织工程、再生医学和临床医学等领域得到了越来越广泛的应用，生物材料的低温保存，尤其是为了保存体积较大和结构复杂的组织器官材料，低温保护剂的添加、降温、升温和低温保护剂的去除都需要有严格的控制过程。现有的方法是在降温前逐步添加低温保护剂至合适的保护浓度，然后通过程序控温将生物材料和保护液降温至所需的保存温度；在需要使用材料时，先升温和随后洗除低温保护剂。有些低温保护剂溶液会对细胞和组织有毒害作用，所以降温前应将生物材料暴露在低温保护剂溶液中的时间减少至最短，在复温后要及时洗除降低低温保护剂溶液，，尽可能减少低温保护剂溶液可能导致的伤害。玻璃化低温保存方法在保存低温生物材料，低温保护剂的浓度高达40％–60％(w/v)，尤其容易产生低温保护剂伤害。早在1965年，Farrant提出了另一种解决方案，即是依据低温保护剂毒性随温度降低的特点，边降温边提高温保护剂浓度，根据“液相线跟踪”的原理，确定在不同温度下所需的低温保护剂浓度，在温度降至某一温度时添加足够的低温保护剂避免冰核产生，但是确定在不同温度下所需的低温保护剂浓度，在降温至不同温度时人为地多次添加额外的低温保护剂，费时费力、不容易控制，更难于讲方法标准化。在复温过程中同时逐步降低低温保护剂的浓度，而不导致渗透胁迫和溶液冻结，更难以实现，而且现有的控温设置是通过控制环境温度来起作用的，这种方法对温度均匀性不好，此外也容易造成生物材料的污染，针对上述问题我们发明了一种用于低温保存生物材料的仪器装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于低温保存生物材料的仪器装置，该装置可以实现均匀控温、自动控制低温保护剂浓度和溶液温度，以解决上述背景技术中存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种用于低温保存生物材料的仪器装置，至少包括低温保护剂溶液储槽、保护剂稀释缓冲液储槽、若干个微型电磁阀、恒流泵、可编程控制器、PC计算机、数据采集卡、电磁反馈密度传感系统、温度测量传感器、若干无菌过滤器、容器盖、生物材料储存容器、不锈钢容器外壳、温度控制装置、小型蠕动泵、管道阀门，所述低温保护剂溶液储槽与保护剂稀释缓冲液储槽通过若干所述微型电磁阀连接呈U型，所述保护剂稀释缓冲液储槽内存储有低温保护剂稀释缓冲液；所述低温保护剂溶液储槽内存储有低温保护剂溶液；所述恒流泵设置在微型电磁阀的下端，所述可编程控制器、PC计算机和数据采集卡从上至下依次排列，若干所述无菌过滤器关于生物材料储存容器对称设置，所述电磁反馈密度传感系统和温度测量传感器分别位于生物材料储存容器的左端和右端，所述容器盖与不锈钢容器外壳正上方接触，所述温度控制装置与不锈钢容器外壳相连接，所述小型蠕动泵右上方设有阀门。

进一步地，所述微型电磁阀设置为两个，分别是第一微型电磁阀和第二微型电磁阀。

进一步地，所述生物材料储存容器包括多个相互连接在一起的存储容器。

进一步地，所述存储容器包括进口、出口、阀门和无菌过滤器，所述进口直接和储存袋本体接触，进口和储存袋本体之间依次设有无菌过滤器和阀门，出口连接在所述进口相对一端，所述出口和储存袋本体之间连接有所述无菌过滤器，液体状态下的生物材料在进出储存袋中不会受到污染损伤。

进一步地，所述存储容器为存储袋。

进一步地，所述温度测量传感器和所述低温保护剂储槽内的低温保护剂接触，可以更准确的测得低温保护剂的温度并传送到所述温度控制装置中，得知低温保护剂温度后，根据液相线跟踪原理以调节低温保护剂的温度。所述小型蠕动泵持续提供动力，使生物材料和低温保护剂为流动状态，流动状态下不易结冰，更有效的保护低温生物材料。所述自动控温控流装置使低温保护剂溶液的温度按照特定的温度曲线下降，并使其温度始终高于溶液冰冻点2～5℃，避免低温保护剂溶液的冻结和受到冰晶的损伤，保证扩散均匀。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明用于低温保存生物材料的仪器装置，具有监测和调控溶液温度、浓度和流量的功能，在输入低温保护剂溶液的关键理化参数和要保护的生物材料相应的低温物理参数和生物学参数后，可以根据液相线跟踪原理来优化低温保存过程，将低温保存过程中由于渗透胁迫、结冰和的保护剂毒害对生物材料的损伤降到最小。

本发明可以在降温过程中自动计算所需低温保护剂浓度和添加低温保护剂，在复温过程中同时逐步降低低温保护剂的浓度；本发明能够严格控制整个致冷和解冻过程，最大程度地降低低温保护剂的毒性作用，使组织细胞在常温状态下、在规定的时间范围内达到低温状态，且能在需要时，在规定的时间内将标本由低温状态恢复至常温状态。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明实施例存储袋的结构示意图；

图3为本发明实施例存储袋的结构示意图。

图中：低温保护剂储槽1、保护剂稀释缓冲液储槽2、第一微型电磁阀3、第二微型电磁阀4、恒流泵5、可编程控制器6、PC计算机7、数据采集卡8、电磁反馈密度传感系统9、温度测量传感器10、无菌过滤器11、容器盖12、生物材料储存容器13、不锈钢容器外壳14、温度控制装置15、小型蠕动泵16、管道阀门17、进口19、出口20、阀门18、无菌过滤器21。

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。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种用于低温保存生物材料的仪器装置，至少包括低温保护剂储槽1、保护剂稀释缓冲液储槽2、第一微型电磁阀3、第二微型电磁阀4、恒流泵5、可编程控制器6、PC计算机7、数据采集卡8、电磁反馈密度传感系统9、温度测量传感器10、无菌过滤器11、容器盖12、生物材料储存容器13、不锈钢容器外壳14、温度控制装置15、小型蠕动泵16、管道阀门17，所述低温保护剂储槽1与保护剂稀释缓冲液储槽2通过第一微型电磁阀3和第二微型电磁阀4连接呈U型；所述低温保护剂储槽1内存储有低温保护剂，在本实施例中，所述的低温保护剂为二甲基亚砜；所述保护剂稀释缓冲液储槽2内存储有保护剂稀释缓冲液，在本实施例中，所述的保护剂稀释缓冲液为PBS(Mg²⁺,Ca²⁺)稀释缓冲液；所述恒流泵5在第一微型电磁阀3和第二微型电磁阀4的中心线下端，所述可编程控制器6、PC计算机7和数据采集卡8从上至下依次排列，所述无菌过滤器11关于生物材料储存容器13对称设置，所述电磁反馈密度传感系统9和温度测量传感器10分别位于生物材料储存容器13左端和右端，所述容器盖12与不锈钢容器外壳14正上方接触，所述温度控制装置15与不锈钢容器外壳14相连接，所述小型蠕动泵16右上方设有管道阀门17。

当冷冻保存生物材料时，电磁反馈密度传感系统9和温度测量传感器10能够测得溶液的浓度和温度，通过PC计算机7计算相关参数，然后传输信号到可编程控制器6，可编程控制器6分别发出信号给微型电磁阀3、恒流泵5和温度控制装置15来控制溶液的浓度和温度，小型蠕动泵16产生动力，管道阀门17控制溶液流量大小使得溶液形成一个连续的循环系统，有溶液进入和流出，这样能够保证溶液温度和浓度的均匀性，对于保存大型组织和器官非常合适，溶液可以从动脉进入然后静脉流出，这样能够充分的保障低温保护剂能够均匀的渗入到组织器官的每个部位。

所述生物材料储存容器13是多个存储容器连接组成的，在本实施例中，所述存储容器为存储袋，所述储存袋包括进口19、出口20、阀门18和无菌过滤器21，所述进口19和储存袋本体之间依次连接有无菌过滤器21和阀门18，所述出口20和储存袋本体之间连接有所述无菌过滤器21，液体状态下的生物材料在进出储存袋中时不会受到污染损伤。

恒流泵能够控制低温保护剂溶液用量和PBS(Mg²⁺,Ca²⁺)稀释缓冲液的用量，可编程控制器6的软件设置有一个反馈装置，以保证根据液相线跟踪原理来优化低温保存过程，比如在某一特定温度下，溶液的低温保护剂的浓度不会超过毒性浓度极限，在某一低温保护剂溶度，温度不会降地太快到超过溶液冰点，在复温时，溶液的低温保护剂的溶度不会降地太快(引起渗透胁迫、结冰)或太慢(毒害)，这些参数和极限是可以用保护剂溶液的理化参数和要保护的生物材料相应的低温物理参数和生物学参数来计算的。

当生物材料需要复温时，可以通过计算出来的低温保护剂的溶液温度和浓度的参数关系，然后由可编程控制器6发出信号给微型电磁阀4、恒流泵5和温度控制装置15来控制复温温度和PBS(Mg²⁺,Ca²⁺)稀释缓冲液用量。

本发明具体操作如下：选用海藻酸盐胶囊化的肝细胞(AELC)作为样品，低温保护剂储槽里配有浓度为40％的Me₂SO，当溶液浓度递增性增加至2％的同时温度随之下降到对应冰点之上2℃。参数和极限是可以用保护剂溶液的理化参数和要保护的生物材料相应的低温物理参数和生物学参数来计算的。

1、开启计算机和低温处理仪器装置。输入低温保存AELC的理化参数和程序。参数值和极限值是用保护剂溶液的理化参数和要保护的生物材料相应的低温物理参数和生物学参数计算好的，可以预先存入计算机和可编程序器。

比如按2％浓度梯度增加保护剂溶液的浓度，实现溶液浓度梯度的增加是往原溶液中添加不同体积40％的Me₂SO，每个阶段添加高浓度Me₂SO体积的计算公式如下：

B＝(A*c-A*a)/(b-c)

B:所需添加40％Me₂SO的体积；A：溶液初始体积

a:初始Me₂SO浓度；b:40％Me₂SO；c:目标Me₂SO浓度

根据上述公式、溶液初始体积、初始和目标Me₂SO浓度，可以求出不同阶段溶液中添加的40％Me₂SO体积。通过恒流泵的转速来向溶液中添加40％Me₂SO达到每个阶段的目标Me₂SO浓度。

当按2％浓度梯度递增溶液浓度的同时降低溶液温度，和溶液浓度的升高相对应，溶液温度梯度变化和浓度变化的对应关系如下，-0.75℃(0％到2％)表示：当溶液浓度从0％升到2％，溶液温度降低到-0.75℃，依次对应关系如下：-1.5℃(2％到4％),-2.25℃(4％到6％)，-3℃(6％到8％).-3.75℃(8％到10％).-4.5℃(10％到12％).-5.25℃(12％到14％).-6℃(14％到16％).-6.75℃(16％到18％).-7.5℃(18％到20％)。

2、先将悬浮在等渗培养液中的AELC(500ml)放在生物材料储存容器13里。

3、开启温度控制装置，使溶液温度下降到-0.75℃。

4、按2％浓度梯度增加溶液浓度。

5、参数和极限是用保护剂溶液的理化参数和要保护的生物材料相应的低温物理参数和生物学参数来计算好的，然后随时通过温度测量传感器和电磁反馈密度传感系统随时测定溶液的温度和浓度，及时对温度和浓度进行调节和控制。

6、过程结束后，让溶液的温度降低到-80℃保存，也可转移到液氮瓶中长期保存。

升温过程：

1、取出低温保存的AELC(500ml)放在生物材料储存容器13里

2、开启温度控制装置，缓慢升高溶液温度，同时降低溶液的浓度。溶液浓度按2％的浓度梯度递减，和溶液温度的升高相对应，溶液浓度的降低是由保护剂稀释缓冲液循环不断地稀释来实现。

3、然后随时通过温度测量传感器和电磁反馈密度传感系统随时测定溶液的温度和浓度，及时对温度和浓度进行调节和控制，在规定的时间内将AELC由低温状态恢复至常温状态备用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于低温保存生物材料的仪器装置，其特征在于：至少包括低温保护剂储槽、保护剂稀释缓冲液储槽、电磁反馈密度传感系统、若干个微型电磁阀、恒流泵、可编程控制器、PC计算机、数据采集卡、温度测量传感器、生物材料储存容器、温度控制装置、小型蠕动泵、管道阀门，所述小型蠕动泵右上方设有阀门，若干个所述微型电磁阀和恒流泵呈T形连接在低温保护剂储槽和保护剂稀释缓冲液储槽下端，所述可编程控制器位于该装置顶端，所述可编程控制器下端设置有PC计算机，所述PC计算机下端设置有数据采集卡，所述低温保护剂储槽和所述保护剂稀释缓冲液储槽关于所述恒流泵对称，所述电磁反馈密度传感系统和所述温度测量传感器分别位于所述生物材料储存容器的左端和右端；

其中，所述生物材料储存容器包括多个相互连接在一起的存储容器，所述存储容器包括进口、出口、阀门和无菌过滤器，所述进口直接和储存袋本体接触，进口和储存袋本体之间依次设有无菌过滤器和阀门，出口连接在所述进口相对一端，所述出口处连接所述无菌过滤器。

2.根据权利要求1所述的一种用于低温保存生物材料的仪器装置，其特征在于：所述微型电磁阀设置为两个，分别是第一微型电磁阀和第二微型电磁阀。

3.据权利要求1或2所述的一种用于低温 保存生物材料的仪器装置，其特征在于：所述存储容器为存储袋。

4.根据权利要求1所述的一种用于低温 保存生物材料的仪器装置，其特征在于：所述温度测量传感器和所述低温保护剂溶液储槽内的低温保护剂溶液接触，所述温度测量传感器将测得的温度数据传送到所述温度控制装置中，所述温度控制装置用于调节低温保护剂溶液的温度。

5.根据权利要求1所述的一种用于低温 保存生物材料的仪器装置，其特征在于：所述数据采集卡、所述PC计算机、所述可编程控制器、所述恒流泵和所述微型电磁阀用于控制所述低温保护剂储槽内的低温保护剂溶液的浓度、温度和流量。

6.根据权利要求1所述的一种用于低温 保存生物材料的仪器装置，其特征在于：所述可编程控制器内设置有反馈装置。