CN117881285A - 用于快速冷冻生物材料的容热器、系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种容热器(100)包括壳体(110)和PCM(150)。该壳体包括第一主表面(113、117)，该第一主表面被配置为接触包括待冷冻培养基的容器。该壳体限定了其中设置有PCM的空腔(140)。PCM的转变温度范围为‑80℃至‑50℃，并配置为将培养基从室温快速冷冻至‑60℃。还公开了一种包括ULT冷冻柜和这样的容热器的快速冷冻系统，以及包括支架和多个这样的容热器的快速冷冻系统。还公开了一种快速冷冻培养基的方法，包括对设置在ULT冷冻柜内的多个这样的容热器进行充冷，并且将多个培养基容器放置为与多个容热器中的至少一个接触。

Description

用于快速冷冻生物材料的容热器、系统和方法

技术领域

本公开涉及生物材料的储存，更具体地涉及用于快速冷冻生物材料的系统和方法。该系统和方法还可用于生物材料的快速加热或解冻。

背景技术

冷冻储存是包括单克隆抗体、疫苗、细胞库、病毒库、细胞治疗产品的生物材料生产的关键步骤。通过将大分子、细胞或病毒颗粒固定在固体基质中，可以延长生物材料的稳定性，从而实现更高效的制造操作、全球运输和长期可用性。

市场上有多种用于快速冷冻单克隆抗体(mAb)和类似治疗蛋白(包括加工中间体和配方原料药物(BDS))的系统。在一些系统中，开口瓶和大玻璃瓶可以用具有内部热交换表面的不锈钢容器(例如CryoVessels(103升(L)至300L))代替。随着一次性系统在生物加工行业中变得越来越普遍，一次性冷冻/解冻系统(例如Sartorius系列产品)允许冷冻30mL至100L的容器，这种尺寸涵盖了各种批量大小。单克隆抗体的冷冻温度范围约为-20℃(℃)至-80℃，冷冻过程的持续时间可为4小时至24小时，某些冷冻过程甚至长达48小时，具体取决于冷冻室负载和制冷设备的能力。长期存储温度范围为-20℃至-40℃，在某些情况下甚至可以低至-80℃。冷冻温度通常是根据稳定性数据、资本支出预算、容器几何形状、吞吐量要求和既定实践之间的折衷来选择的。

大型生物制造组织通常能够在可重复地高吞吐量冷冻大批量所需的大型专业冷冻设备上进行大量资本投资。规模较小的企业往往批量较小，无力投资高端冷冻设备，他们通常满足于较低的吞吐量，甚至可能更喜欢使用瓶子或大瓶，可选择添加诸如Sartorius之类的封闭件以实现无菌处理。

尽管mAB和大多数大分子可以在-20℃至-80℃的温度范围内充分稳定，并且针对相对较慢的冷冻时间通常也很稳定，但活细胞的要求更具挑战性。当储存时间较短时，达到-60℃或-80℃的初始冷冻步骤适用于某些细胞系。然而，对于细胞的长期储存，储存温度必须远低于-80℃，以便完全固定细胞。细胞的储存温度通常选择低于-137℃的水玻璃化转变温度，并且可能低至-196℃的液氮沸点。此外，冷冻过程必须相对较快地进行，以防止生长的冰晶破坏细胞的结构。常用的目标是每分钟冷冻1℃。值得注意的是，冷却太快可能不利于细胞活力。例如，要从5℃冷却到-80℃，持续时间应约为85分钟。当容器尺寸较小(例如2mL至100mL)时，传统的实验室冷冻柜可能能够处理小批量。然而，随着批量大小的增加和/或容器尺寸的增加，例如从1升到20升甚至更大，传统冷冻柜无法满足每分钟1℃的冷冻速率目标，因此专业的高端冷冻设备是必须的。

在-20℃至-80℃的温度范围内使用聚合物一次性容器(袋子、瓶子、管道和连接器等部件)已经是一项重大挑战，需要仔细选择材料和包装。一些最好的可用材料是有机硅(尤其是苯基有机硅)和聚烯烃(例如EVA、LLDPE)，但当温度低于约-80℃时，即使这些也会开始变得坚韧，并且当温度低于约-120℃时会变脆。对于需要兼容-196℃存储/运输的应用，包装成为一个更大的挑战。众所周知，PTFE、聚酰亚胺、FEP、PFA、ETFE等含氟聚合物在低温下具有高度的鲁棒性，但也存在其他问题，包括成本、加工限制以及在许多情况下对伽马辐射灭菌的耐受性较差。因此，需要一种能够提供优良包装而不会引入会减慢热传递的明显热阻的容器。

在细胞库和类似应用的情况下，待冷冻生物材料是通过在小型灌注反应器(工作体积可能为20L)中生长高密度细胞培养物，引入新鲜培养基与冷冻保护剂(例如DMSO)的混合物，然后在1-2h的时间窗口内快速灌装并冷冻，来生产的。这对人体工程学提出了重大挑战，因为必须将大约200x-250x100mL的袋子准确填充至目标体积，然后快速冷冻，而没有机会分批进行该活动。更复杂的是，该活动很可能在空间非常有限的实验室环境中进行，理想情况下只需要1-2名操作员。

鉴于前述，需要用于快速冷冻生物材料而不需要专业的高端冷冻设备的系统和方法。此外，需要简化大批量冷冻生物材料容器的处理的系统和方法。

发明内容

本公开包括在传统实验室冷冻设备中实现快速冷冻而不使用专业的高端制冷设备的系统和方法。另外，本公开包括用于简化大批量冷冻生物材料容器的处理的系统和方法。虽然本文详细描述的系统和方法是关于生物材料的快速冷冻，但是该系统和方法也可用于解冻和加热生物材料。

在本公开的实施例中，容热器包括壳体和相变材料(PCM)。该壳体包括第一主表面，该第一主表面被配置为接触包括待冷冻培养基的容器并且限定一空腔。PCM设置在空腔内并且具有在-80℃至-50℃范围内的转变温度。容热器被配置为将培养基从室温快速冷冻到至少-50℃，其中容器包括在封闭空间中与壳体接触的培养基。

在实施例中，第一主表面由增强热能传入或传出PCM的材料形成。壳体可包括与第一主表面相对的第二主表面。第二主表面可以被配置为接触包括待冷冻培养基的另一个容器并且可以由增强热能传入或传出PCM的材料形成。

在一些实施例中，PCM设置在位于空腔内的包装内。PCM可以具有在-72℃至-67℃范围内的转变温度。容热器可以被配置为以每分钟1℃至4℃的冷却速率冷冻培养基。

在某些实施例中，容热器包括位于壳体上的充冷(charge)指示器。充冷指示器可以提供PCM的充冷状态。容热器可以包括用于确定PCM的充冷状态的传感器。传感器可以与充冷指示器通信。传感器可以是电阻温度检测器、热电偶、热敏电阻、超声波传感器或光学传感器。

在本公开的另一个实施例中，快速冷冻系统包括ULT冷冻柜和容热器。ULT冷冻柜限定了容纳培养基的内部空间。ULT冷冻柜能够将内部培养基温度保持在-50℃以下。容热器设置在ULT冷冻柜的内部并且包括壳体和相变材料(PCM)。该壳体包括第一主表面，该第一主表面被配置为接触包括待冷冻培养基的容器并且限定一空腔。PCM设置在空腔内。PCM的转变温度范围为-80℃至-50℃。容热器被配置为将培养基从室温快速冷冻到至少-50℃，其中容器包括与壳体的第一主表面接触的培养基。

在实施例中，容热器能够快速冷冻培养基而无需来自ULT冷冻柜的额外制冷功率。ULT冷冻柜可能会在冷冻过程之间对容热器涓流充冷。在冷冻5升或更多培养基期间，ULT冷冻柜的内部温度可以保持在-50℃以下。

在本公开的另一个实施例中，一种快速冷冻系统包括框架和多个容热器。每个容热器安装在框架内，使得待冷冻培养基可容纳在相邻容热器之间。每个容热器包括一壳体和设置在空腔内的相变材料(PCM)。PCM的转变温度范围为-80℃至-50℃。

在实施例中，每个容热器包括接触表面，该接触表面被配置为接触包括待冷冻培养基的容器。接触表面可以由增强热能传入或传出PCM的材料形成。壳体可以由铝形成并且可以包括限定空腔的壁。限定空腔的壁可以被阳极氧化或镀镍。PCM可以被密封在设置在空腔内的包装内。该包装可以由含氟聚合物或硅橡胶形成。

在一些实施例中，至少一个容热器包括传感器组件。传感器组件可提供至少一个容热器内的PCM的充冷状态的标记。传感器组件可以包括选自由电阻温度检测器、热电偶、热敏电阻、光学传感器或超声波传感器组成的组的传感器。

在某些实施例中，框架包括上导轨和下导轨。多个容热器可以可滑动地安装在上轨道和下轨道上。

在特定实施例中，该系统包括ULT冷冻柜，其中框架设置在ULT冷冻柜内。多个容热器可以被配置为增加能够被ULT冷冻柜冷冻的培养基的量而ULT冷冻柜不会偏离超过最高温度。带有框架的ULT冷冻柜能够冷冻5升或更多培养基，而不会明显偏离设定点温度。ULT冷冻柜的最高温度或设定点温度可为-50℃、-60℃、-65℃、-70℃、-75℃或-80℃。

在某些实施例中，容热器固定在支架内，使得在相邻容热器之间限定一通道。快速冷冻系统包括用于插入相邻容热器之间的通道中的托架保持器。托架保持器可以具有第一侧和第二侧，第一侧和第二侧均被配置为容纳包括待冷冻培养基的容器。托架保持器可以具有压缩配置和未压缩配置，在压缩配置中托架保持器具有第一厚度，在未压缩配置中托架保持器具有大于第一厚度的第二厚度。第一侧和第二侧可以在压缩配置和未压缩配置之间相对于彼此移动。在压缩配置中，盒与容热器间隔开，并且在未压缩配置中，容器的至少一个表面与相应的容热器接触。第一厚度可以小于通道的通道厚度，而第二厚度可以大于通道厚度。

在一些实施例中，托架保持器包括设置在第一侧和第二侧之间的偏置构件。偏置构件可以推动第一侧和第二侧彼此远离，使得托架保持器被推向未压缩配置。每个容热器可包括凹槽和切口，该切口与凹槽的每个端部对准并定位在凹槽的每个端部处。托架保持器可以包括从第一侧延伸的第一凸台和从第二侧延伸的第二凸台。第一凸台和第二凸台可以可滑动地容纳在凹槽中并且可以容纳在切口中。当第一凸台和第二凸台被容纳在凹槽内时托架保持器处于压缩配置，而当第一凸台和第二凸台设置在槽口中时托架保持器处于压缩配置和未压缩配置之间。

在本公开的另一个实施例中，一种快速冷冻培养基的方法包括对设置在ULT冷冻柜中的多个容热器进行充冷，其中每个容热器包括转变温度在-80℃至-50℃范围内的PCM。该方法还包括将包括待冷冻培养基的多个容器放置在ULT冷冻柜内，其中多个容器中的每一个与多个容热器之一直接接触。该方法还包括与相应容器接触的每个容热器直接向包括培养基的容器提供冷冻功率，以将相应容器内的培养基从室温快速冷冻到-50℃，使得ULT冷冻柜的内部在培养基冷冻期间保持低于-50℃。

在实施例中，在冷冻至少5升培养基期间，ULT冷冻柜的最高温度为-50℃。放置包括待冷冻培养基的多个容器可以包括至少5升的培养基总量。

在一些实施例中，将包括待冷冻培养基的多个容器放置在ULT冷冻柜内包括将多个盒中的每个盒放置成与多个容热器中的至少一个接触。该方法可以包括将多个器皿中的每个器皿插入一个盒中。该方法可包括将多个盒插入托架保持器中以及将托架保持器插入到限定在相邻容热器之间的通道中。插入托架保持器可以包括托架保持器在插入期间处于压缩配置，其中盒与容热器间隔开，并且当完全插入时，托架保持器朝向未压缩配置扩张，在未压缩配置中每个盒与其中之一直接接触容热器。在插入期间，托架保持器的凸台可以在容热器的凹槽内滑动。凸台与凹槽的相互作用将托架保持器推向压缩配置。当托架保持器完全插入时，凸台可被容纳在槽口内，使得托架保持器朝向未压缩配置扩张。放置多个容器可以包括待冷冻为高细胞密度培养物的培养基。

在本公开的另一个实施例中，用于容纳器皿的托架包括限定一孔的主体。该孔的尺寸和维度被设计为容纳包括培养基的容器。主体被配置为将容纳在孔中的容器推向主体的外壁，以增强传入或传出容器内培养基的传热特征。

在实施例中，孔的尺寸和维度被设计为补偿当容器内培养基的温度变化时容器内培养基的扩张。

在一些实施例中，主体被配置为容纳在盒中。托架可以包括限定孔的一侧的传递元件。传递元件可以被配置为与盒和容器的外壁紧密接触，以增强热能传入或传出容器内的培养基。传递元件可以由铝形成。

在某些实施例中，托架包括钩部，用于在用培养基填充容纳在主体内的器皿期间支撑主体。钩部可以可拆卸地固定至主体。

在本公开的另一个实施例中，一种用于在热变化期间支撑培养基的盒组件包括盒、容器和托架。该盒具有固定壁组件和封闭件。固定壁组件限定一腔室。该盒具有打开配置和闭合配置，在打开配置中，腔室是可进入的，而在闭合配置中，封闭件防止进入腔室。当盒处于闭合配置时，固定壁组件具有与封闭件相对的传热壁。该容器被配置为在培养基温度快速变化期间无菌地容纳培养基。托架的尺寸和维度被设计为设置在盒的腔室内。托架具有限定壁的主体。器皿被容纳在壁内并且托架将容器推向固定壁组件的传热壁。

在实施例中，托架包括形成孔的边界的传热元件。托架促使器皿与传热元件接触。

在本公开的另一个实施例中，流体分配系统包括流体分配中心、框架、多个托架和多个器皿。流体分配中心具有单个入口和多个出口。框架支撑流体分配中心并且包括上支撑件。多个托架围绕流体分配中心支撑在上支撑件上。多个器皿各自设置在各自的托架内。每个器皿通过从多个出口中的相应出口延伸的入口管与流体分配中心流体连通。每个器皿可与流体分配中心无菌分离，并且每个器皿在分离之后保留在相应的托架内。

在实施例中，每根入口管都包括无菌密封元件。无菌密封元件可分离，使得入口管被无菌密封。

在一些实施例中，流体分配系统包括多个钩部，每个钩部与相应的托架相关联并从相应的托架延伸，并且与上支撑件接合以将相应的托架悬挂在上支撑件上。

在某些实施例中，框架包括下支撑件，每个托架由下支撑件和上支撑件围绕流体分配中心支撑。每个托架可以包括限定在其中的槽口，该槽口容纳下支撑件的一部分以相对于下支撑件定位托架。多个托架中的每一个与上支撑件和下支撑件之间的相互作用限制了托架相对于流体分配中心的自由度，以相对于分配中心固定托架。

在本公开的另一个实施例中，一种快速冷冻培养基的方法包括同时将培养基从主器皿分配至多个辅助器皿、以无菌方式将每个辅助器皿与流体分配系统断开、移除每个托架以及快速冷冻辅助器皿内的培养基。每个辅助器皿容纳在围绕流体分配中心支撑的托架中。移除每个托架包括将相应的辅助器皿容纳在托架内。该方法可以包括将每个托架与相应盒中的相应辅助器皿固定。

在实施例中，固定每个托架包括促使辅助器皿与盒的传热壁接触的托架或盒。固定每个托架可以包括位于盒的封闭件上的垫，该垫接合辅助器皿以将辅助器皿推向盒的传热壁。

在一些实施例中，固定每个托架包括托架的传热元件与盒的传热壁紧密接触。无菌地断开每个辅助器皿包括无菌地断开辅助器皿的输入管与流体分配系统的连接以及将输入管定位在托架的通道中。无菌地断开输入管可以包括切断输入管。

在特定实施例中，移除每个托架包括提升托架，使得与托架相关联的钩部从流体分配系统的上支撑件中移除。移除每个托架包括在将每个托架固定在相应的盒中之前将钩部与托架分离。提升托架可以包括从托架的槽口内移除流体分配系统的下支撑件，使得托架的下部相对于流体分配系统自由移动。与此同时，从主器皿分配培养基可以包括作为高细胞密度培养物的培养基。

此外，在一致的范围内，本文描述的任何实施例或方面可以与本文描述的任何或所有其他实施例或方面结合使用。

附图说明

下面参考附图描述本公开的各个方面，附图并入本说明书并构成本说明书的一部分，在附图中：

图1是根据本公开的实施例提供的容热器的透视图，其中容热器的一部分被剖开；

图2是根据本公开的实施例提供的快速冷冻系统的透视图，其中快速冷冻系统处于打开位置；

图3是图2的快速冷冻系统处于围绕盒的闭合位置的一部分的前视图；

图4是根据本公开的实施例提供的盒和托架的前透视图，其中盒处于打开配置；

图5是图4的盒处于打开配置的前侧透视图；

图6是图5的盒处于闭合配置的前透视图；

图7是图4的托架的前透视图，其中器皿设置在托架内；

图8是图7的托架的后透视图；

图9是图7的托架的剖视图；

图10是根据本公开实施例提供的托架保持器的透视图；

图11是图10的托架保持器的透视图，其中容纳有多个盒；

图12是图11的托架保持器的一部分的俯视图；

图13是图11的托架保持器的一部分的放大图，其中支架的一部分被移除；

图14是根据本公开的实施例提供的包括多个容热器的框架的透视图；

图15是图14的容热器的侧透视图；

图16是图15的容热器的一部分的放大图；

图17是图14的框架的透视图，其中图11的托架保持器被插入支架；

图18是图14的装载有多个托架保持器的框架的透视图；

图19是与框架的通道对准的托架保持器的俯视图，其中托架保持器处于未压缩配置；

图20是图19的托架保持器和框架的俯视图，其中托架保持器部分地插入通道中并且处于压缩配置，使得托架保持器的盒与支架的容热器间隔开；

图21是图20的托架保持器和框架的俯视图，其中托架保持器进一步插入通道中并且处于压缩配置；

图22是图21的托架保持器和框架的俯视图，其中托架保持器完全插入通道中并且处于未压缩配置，使得盒与支架的容热器接触；

图23是根据本公开实施例的流体分配系统的透视图，该流体分配系统包括从流体分配系统的框架悬挂的多个托架组件。

图24是包括托架组件的图23的流体分配系统的另一个透视图；

图25是图24的流体分配系统的另一个透视图，其中托架组件与流体分配系统被分离；

图26是根据本公开实施例的分配和冷冻培养基的方法的流程图；

图27是根据本公开的实施例的无菌地分配培养基的方法的流程图；

图28是根据本公开实施例的无菌地断开托架组件的方法的流程图；和

图29是根据本公开的实施例的冷冻培养基的方法的流程图。

具体实施方式

现在将参考其示例实施例并参考附图在下文中更全面地描述本公开，其中在多个视图的每一个中，相同的附图标记表示相同或相应的要素。描述这些示例性实施例使得本公开将是彻底和完整的，并且将充分地向本领域技术人员传达本公开的范围。来自一个实施例或方面的特征可以以任何适当的组合与来自任何其他实施例或方面的特征进行组合。例如，方法方面或实施例的任何单独或集体特征可以应用于装置、产品或部件方面或实施例，反之亦然。本公开可以以许多不同的形式来实施，而不应被解释为限于本文所阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了使本公开满足适用的法律要求。如说明书和所附权利要求中所使用的那样，单数形式“一”、“一个”、“该”等包括复数指示物，除非上下文另外明确指出。另外，虽然本文中可能提及定量测量、值、几何关系等，但除非另有说明，其任何一个或多个(如果不是全部)都可以是绝对的或近似的，以考虑到例如由于制造或工程公差等原因造成的可能发生的可接受的变化。

如本文所使用的那样，术语“生物材料”、“材料”和“培养基”可以同义使用并且可以指任何生物材料、培养基或产品，包括但不限于大分子、细胞或病毒颗粒形式的单克隆抗体、疫苗、细胞库、高密度细胞培养物、病毒库和细胞治疗产品。虽然高密度细胞培养物在本文中可被描述为培养基，但当指定时，高密度细胞培养物是每毫升(mL)具有超过5000万个细胞的细胞培养物。在一些实施例中，高密度细胞培养物可具有每mL多于1亿、1.2亿或1.5亿个细胞。示例性细胞培养物公开于国际专利公开WO2021052857中，其全部内容通过引用并入本文。另外，如本文所用，“冷却功率”或“制冷功率”是指从材料中去除热能以使得材料的温度降低的能力。此外，如本文所使用的那样，术语“容器”指的是被配置为容纳设置在其中的培养基的任何物体，并且可以描述在其中容纳培养基的器皿，也可以描述容纳在其中设置的培养基的器皿的盒或其他物体。

典型的超低温实验室冷冻柜或-80℃冷冻柜通常由2级制冷装置冷却，并且可能具有-86℃至-50℃之间的设定点，通常可称为“ULT冷冻柜”。这些ULT冷冻柜在实验室环境中随处可见，并且可从Thermo Scientific、Panasonic和Sanyo等多家制造商处购买。虽然ULT冷冻柜的目的是保持冷冻材料处于冷冻状态，但不要求设计为有足够的制冷能力来冷冻其中的大量液体。事实上，Thermo Scientific对STP系列ULT冷冻柜的开门恢复时间进行了评估，在不添加冷冻液体的情况下为11-24分钟。因此，虽然可以将1L材料(例如500x2mL小瓶)放入ULT冷冻柜中冷冻，但随着材料量和/或容器尺寸的增加，例如相当于总共有5L材料的50x100mL袋，ULT冷冻柜在材料冷冻时可能会显示出与设定温度有较大偏差。这些大偏差可能会危及ULT冷冻柜中的其他材料，并且可能不允许放置在ULT冷冻柜中的材料以所需的速率(例如每分钟1℃)被冷冻。

本公开总体上涉及在ULT冷冻柜中快速且可靠地冷冻大量材料(例如相当于总共5L材料的50x100mL袋)而不会导致相对于设定点温度的不期望的温度偏移的系统、方法和装置。这样的系统、方法和装置可以允许大型和小型设施处理材料，例如快速冷冻，而无需在专业冷冻设备方面进行大量资本投入。此类系统、方法和装置可允许快速冷冻，而无需应对冷冻剂(例如液氮或干冰)的成本和安全问题。

在典型的实验室或生产环境中，冷冻操作不是一个连续的过程。例如，实验室或生产设施每周可能需要冷冻的批次数量有限。如下文详述，可以在ULT冷冻柜中包括热能存储器件(“热电池”或“容热器”)，该热能存储器件在冷冻操作之间缓慢充冷(“涓流充冷”)并在冷冻操作期间快速放电。这种容热器可包括相变材料(PCM)，其熔点在接近ULT冷冻柜的最低操作温度但比待冷冻材料的冰点(通常接近0℃)冷得多的范围内。ULT冷冻柜的最高工作温度可能在-50℃至-75℃的范围内。具有PCM的容热器能够提供待冷冻的制冷功率脉冲，以防止ULT冷冻柜内出现温度偏差。当ULT冷冻柜不用于冷冻过程时，容热器可以留在ULT冷冻柜中充冷，充冷后闲置，然后在将待冷冻材料放入ULT冷冻柜中时放电。虽然将PCM包括在沿着限定ULT冷冻柜内部的壁的各个位置中或者甚至在ULT冷冻柜的制冷设备中可能都是有益的，但将PCM或容热器放置在更靠近待冷冻材料的地方可以增强制冷功率。

现在参考图1，根据本公开的实施例公开了一种容热器并且总体上称为容热器100。容热器100包括壳体110，壳体110将PCM 150保持在其中以防止PCM 150从壳体110内限定的空腔140泄漏或蒸发。空腔140可以是封闭的隔室，使得PCM 150被封装或密封在空腔140内。在一些在实施例中，空腔140是打开的空腔，而壳体110将PCM 150保持在空腔内。壳体110由导热材料形成，以将热量传入和传出PCM 150。形成壳体110的材料还必须能够承受接触待冷冻容器所涉及的压缩力(如下文详述)，并且能够承受当PCM 150改变温度时由PCM150内的密度变化而在空腔140内产生的内部压力。在实施例中，壳体110由耐腐蚀的导热金属形成。在特定实施例中，壳体110由铝形成。铝可能因其高导热性和相对较低的成本而具有优势。另外，铝由于其低密度而可能是有利的，因为它使得与由其他导热材料形成的壳体相比，壳体110可以具有更低重量。铝还可以是耐腐蚀性材料，并且可以进行阳极氧化或镀镍以增加耐腐蚀性。

壳体110可由第一半壳112和第二半壳116形成，第一半壳112和第二半壳116均由实心块形成，其中空腔140由实心块机械加工而成。第一半壳112和第二半壳116可以用紧固件结合在一起、钎焊在一起或者焊接在一起(例如激光焊接)，其中沿其相对面设置垫圈或密封剂以密封空腔140。限定空腔140的第一半壳112和第二半壳116的表面可被处理以提供或增强耐腐蚀性。例如，限定空腔140的表面可以被阳极氧化或镀镍以提供或增强耐腐蚀性。

在一些实施例中，壳体110可以包括增强壳体110的结构的特征，以在PCM 150改变相时增强或强化壳体100。例如，壳体110可包括肋和/或圆角以强化壳体110。肋骨或圆角可以定位在壳体110内的多个位置处并且可以垂直地、水平地或对角地延伸穿过壳体或空腔140。

壳体110包括接触表面，该接触表面是半壳之一的被设计为接触待冷冻的产品容器的主表面。例如，壳体110可包括作为第一半壳112的主表面的第一接触表面113和作为第二半壳116的主表面的第二接触表面117。第一接触表面113和第二接触表面117彼此相对，使得第一接触表面113能够接触第一容器，而第二接触表面117能够接触第二容器。

PCM 150可设置在空腔140内，使得PCM 150与限定空腔140的表面直接接触。在一些实施例中，PCM 150被密封在设置在空腔140内的包装152内。包装152可以是密封袋，其尺寸被设计为设置在空腔140内而没有褶皱和空隙。在一些实施例中，包装152由能够承受空腔140内的温度(例如-80℃)的含氟聚合物或硅橡胶形成。当包装152由含氟聚合物形成时，含氟聚合物可包括但不限于PTFE、聚酰亚胺、FEP、PFA、ETFE。

PCM 150的相变点范围为-50℃至-75℃。例如，PCM 150可具有-50℃至-75℃范围内的熔点。PCM 150可以是共晶水溶液，例如熔点为-50℃的氯化钙、熔点为-62℃的乙酸钾、熔点为-70℃的氯化锂、或氯化锂和溴化锂的混合物。这些共晶溶液的熔点可以通过产生低共熔溶剂(例如作为乙二醇和氯化胆碱的混合物的乙醇)的三元水溶液来调节。在一些实施例中，氯化锂和溴化锂的低共熔溶液的凝固点或转变温度可以通过调整低共熔溶液中氯化锂与溴化锂的比率来调节。PCM 150可以针对其他特性(例如不易燃、无危险、容易获得以及具有足够的能量存储密度)进行选择。在某些实施例中，PCM 150可具有在-80℃至-65℃(例如，-72℃)范围内的冷冻温度、在-70℃至-64℃范围内的熔化温度(例如，-67℃)、在200kJ/kg至230kJ/kg(例如，200kJ/kg)范围内的潜热以及在1.18g/cm³至1.38g/cm³(例如，1.38g/cm³)范围内的密度。PCM 150可包括添加剂，例如防止超螺旋化的成核剂、抗腐蚀剂或防止密度梯度分离或形成的胶凝剂。添加剂可以增强PCM 150的性能，以确保在多次冷冻循环后具有可重复的行为。

在一些实施例中，PCM 150可以由植物原料制造。这样的PCM 150可能是无害的、无腐蚀性的和/或交联的，并且可以具有-60℃的转变温度。PCM 150的交联可以增加材料的粘度，使得PCM 150可以成为高粘度凝胶或固体材料。即使空腔140被设置在其中的PCM 150损害，高粘度凝胶或固体材料也可以减少或防止从空腔140泄漏。在一些实施例中，空腔140是打开的空腔，其中PCM 150的交联将PCM 150保留在空腔140内。这样，可以不需要密封空腔140，也可以不需要将PCM 150设置在包装152内，这可以降低制造容热器100的成本。另外或替代地，如果这样的PCM 150是非腐蚀性的，则限定的空腔140的壁可以保持非涂覆状态，这可以降低容热器100的制造成本。作为非危险、非腐蚀性和/或交联材料之一的PCM可以降低制造成本并减少与其他PCM危险、腐蚀性或非交联材料相关联的安全问题。

选择PCM 150的量进而选择空腔140的尺寸来平衡冷冻材料的制冷功率并减少填充时间。由于大多数生物材料都可以利用水的特性进行建模，例如，当PCM 150需要在超过45分钟内传递42千焦(kJ)或需要传递16瓦(W)时，使用初始温度为70℃的氯化钙共晶溶液以1℃/分钟的冷冻速率将100mL袋材料从5℃冷冻至-40℃。因此输送42kJ所需的氯化钙体积为130mL。空腔140的尺寸可被设计为具有与待冷冻材料相同的占地面积，例如100mL，其厚度由所需的PCM 150的量确定。继续当前示例，具有类似于100mL袋的占地面积的空腔140的厚度将是容纳130mL氯化钙的1.3倍。在一些实施例中，包含PCM 150的空腔140和/或包装152可以包括空隙空间以适应PCM 150随着PCM的相变化而扩张。

容热器100可以包括充冷指示器120以指示PCM 150的“充冷状态”，该“充冷状态”可以被认为是容热器100的充冷状态。充冷指示器120可以与被配置为确定PCM 150的温度的传感器122进行信号通信。传感器122可以是电阻温度检测器(RTD)、热电偶、热敏电阻或适合于确定PCM 150的温度的其他传感器。传感器122可以位于容热器100的关键位置处。例如，传感器122可以位于空腔140内。例如，传感器122可以是位于空腔140的中心。充冷指示器120可包括设置在容热器100周围的多个传感器。充冷指示器120可以包括在接触表面(例如接触表面113)上的传感器122，以指示接触表面113的温度，因此大致指示容器内与接触表面接触的培养基的温度。

在一些实施例中，传感器122可以包括在发送/接收模式下操作的超声波传感器，也可以是一对超声波传感器，其中一个处于发送模式而另一个处于接收模式。超声波传感器122可以发送超声波脉冲通过PCM 150以估计在PCM 150的充冷或放电期间PCM 150的充冷状态，例如相变的程度。当使用单个超声波传感器122时，超声波脉冲可以从空腔140的远壁反射。超声波传感器可以是有利的，因为允许例如在不需要将物理传感器设置在PCM 150内的情况下通过将一个或多个传感器放置在限定空腔140的壁处来测量空腔140中心处的PCM 150。

在一些实施例中，传感器122可以包括光学传感器。光学传感器122可以包括位于空腔140的一侧上的光源和位于空腔140的相对侧上的检测器。光源将光引向检测器，检测器检测接收到的光量。到达检测器的光子数量的减少可能表明由于冷冻过程中产生的变形(例如晶体边界和冷冻气泡)而导致的电荷状态，这些变形会散射光。

充冷指示器120可以包括处理器，该处理器从上面详述的一个或多个传感器122接收电信号并且至少部分地通过从传感器122接收的电信号来提供PCM 150的充冷状态指示。充冷指示器122还可以使用其他度量来指示PCM 150的充冷状态。其他指标可以包括经过的时间。充冷指示器120和传感器122之间的通信可以是有线或无线的。充冷指示器120可以提供PCM 150的充冷状态的视觉标记。视觉标记可以是光，例如，充冷时为绿色，未充冷时为红色。视觉标记可以是显示PCM 150的电荷量的仪表。

另外参考图2至图3，容热器100可以是根据本公开的实施例提供的快速冷冻系统200的一部分。快速冷冻系统200包括可滑动地安装到顶部导轨210和底部导轨220的多个容热器100。每个容热器100可包括顶部轴承或安装件132和底部轴承或安装件134，其容纳穿过其中的顶部导轨210和底部导轨220中的相应一个，以将容热器100可滑动地安装在快速冷冻系统200内。安装件132、134的尺寸可被设计为允许在轨道210、220上滑动，并且由阻止沿轨道210、220自由移动的材料形成，使得容热器100可在快速冷冻系统200内保持在缺少外力的位置。

在使用中，包括待冷冻材料的容器或盒10可定位在相对于彼此处于打开位置的两个容热器100之间，如图2所示。在打开位置，两个容热器100彼此间隔开，使得盒10可定位在容热器100的接触表面113、117之间。当盒10定位在容热器100的接触表面113、117之间时，容热器100中的一个或两个朝向另一容热器100滑动以将盒10捕获在容热器100之间，使得容热器100相对于彼此处于闭合位置，如图3所示。在闭合位置，盒10与每个容热器100的接触表面113、117紧密接触。在闭合位置，容热器100的安装件132、134可以彼此接触以在相应容热器100的接触表面113、117之间限定一空间。安装件132、134中的每一个都可具有大致等于盒10的厚度的一半的厚度，使得该空间大致等于盒10的厚度。容热器100可包括沿着接触表面113、117定位的托架136，接触表面113、117的厚度大致等于盒10的厚度的一半，并且定位成接触从相对的接触表面113、117延伸的托架136。容热器100可包括当容热器100处于闭合位置时定位在盒10下方的托架136。盒10下方的托架136可以在其上支撑盒10。

使盒10与容热器100的接触表面113、117紧密接触有利于快速冷冻盒10内的材料。将待冷冻材料带到容热器100的紧邻区域可改善从待冷冻材料传出的热。

虽然快速冷冻是理想的，但冷冻速度太高或太快可能对某些材料是有害的。使盒(例如盒10)与具有足够PCM 150的容热器100紧密接触以将盒10内的材料冷冻至期望的温度可能导致材料的冷却速率过高或太高。为了控制冷却速率，容热器100可以包括位于PCM150和接触表面113、117之间的绝缘层118，以限制或调节冷却速率。调节冷却速率，增加绝缘层118的厚度以降低冷却速率，并且减小绝缘层118的厚度以提高冷却速率。

PCM 150的内阻也会影响冷却速率。具体地，PCM 150的内阻可能在流入和流出PCM150的热能流中产生瓶颈。一些PCM可能具有低导热率，使得热能可能无法有效地流入或流出PCM 150的中心或核心。为了降低PCM 150的内阻，容热器100可以包括设置在空腔140内的传热特征。在一些实施例中，空腔140可以包括设置在空腔140内的导热基质，其中在导热基质内和导热基质周围设置PCM 150。导热基质可以是泡沫铝的形式。在某些实施例中，传热特征可包括延伸穿过空腔140以将热能传递到PCM 150的核心中和从PCM 150的核心中传递出的热能传递散热片。传热特征可以由选择为与PCM 150相容的材料形成，以防止传热特征被腐蚀。在某些实施例中，传热特征可以被电镀，例如化学镀镍，以提供其耐腐蚀性。

现在参考图4-9，公开根据本公开的实施例的盒310。盒310被配置为牢固地保持装有待冷冻的生物材料或培养基的器皿20。在一些实施例中，盒310被配置为将器皿20定位在盒310内，使得器皿20保持与盒310的传热壁322紧密接触。盒310的传热壁322可被配置为定位成与容热器(例如容热器100(图1))的接触表面紧密接触，以增强热能传入和传出器皿20内的生物材料。在某些实施例中，盒310可被配置为将器皿20大致固定在其内。在一些实施例中，器皿20在冷冻时可能会变脆，使得将器皿20固定在盒310内可以保护器皿20免受损坏。保持器皿20可以减少或防止在生物材料的运输、冷冻和解冻期间对器皿20的损坏。

盒310包括静止或固定壁组件320，其包括传热壁322、顶壁324、底壁326和侧壁328。固定壁组件320限定腔室330，腔室330被配置为容纳托架340。托架340具有一主体，该主体的尺寸和维度被设计为紧贴地装配在腔室330内，使得托架340固定在腔室330内。托架340限定孔342，孔342的尺寸和维度被设计为容纳填充有培养基的器皿20。孔342的尺寸可以被设计为与器皿20的形状互补并且可以包括围绕器皿20的空隙或空的空间。器皿20周围的空隙或空的空间的尺寸可被设计为允许当培养基被冷冻时器皿20内的培养基的体积发生变化。例如，器皿20内的培养基的体积可能随着培养基被冷冻而增加。在一些实施例中，托架340可以由可压缩材料形成，使得当培养基扩张时，培养基可以压缩托架340限定孔342的那些部分。托架340还可以限定通道344，通道344的尺寸和维度被设计为容纳附接至器皿20的附件。例如，通道344的尺寸可被设计为容纳诸如管道、夹具、密封件和无菌连接器之类的附件。附件的基座可以将器皿20定位在托架340内。通道344可以延伸穿过托架340的整个厚度，也可以仅部分地延伸到托架340的厚度中。例如，通道344被配置为当通道344容纳管时，通道344可以部分地延伸到托架340的厚度中，并且在通道344被配置为容纳夹具的情况下，通道344可以延伸穿过托架340的整个厚度。

托架340可以包括位于孔342的一侧上的传热元件346。传递元件346可由铝形成以增强传入和传出器皿20的热能。传递元件346可被涂覆以防止或减少器皿20的材料粘附至传递元件346。这种涂层可以促进器皿20的材料沿着传递元件346滑动。例如，传递元件346可以涂有聚四氟乙烯(PTFE)以防止器皿20粘合或粘附到传递元件346。防止器皿20结合或粘附到传递元件346可以防止或减少器皿20随着器皿20内的培养基的温度变化和培养基的体积变化而破裂。传递元件346可以附接到托架340并且可以与盒310的传递壁322接触。盒310可包括设置在传递壁322和传递元件346之间的导热油脂或凝胶，以增强其间的热能传递。

盒310还包括封闭件350以封闭其中具有器皿20的腔室330。封闭件350包括封闭件壁352并且可以包括侧壁354和顶壁356，侧壁354和顶壁356装配在腔室330内或者装配在腔室330的外侧上邻近固定壁组件320的互补壁。

封闭件350具有打开位置(图5)和闭合位置(图6)，在打开位置下腔室330是可进入的，而在闭合位置下封闭件350防止进入腔室330。在一些实施例中，封闭件350可以相对于固定壁组件320铰接。在此类实施例中，封闭件壁352包括顶部边缘351和底部边缘353。底部边缘353可铰接到底壁326，使得封闭件350围绕形成在底壁326和底部边缘353之间的铰链355在其打开位置和闭合位置之间枢转。顶部边缘351可包括封闭件特征360，以当封闭件350处于闭合位置时相对于顶壁324固定顶部边缘351。封闭件特征360被配置为将封闭件350维持在闭合位置。封闭件特征360可以铰接至顶壁324，使得封闭件特征360在未固定状态和固定状态之间枢转。封闭件特征360可包括肋362，肋362被容纳在折痕364中以将封闭件特征360保持在固定状态。折痕364可限定在传递壁322和封闭件壁352的相对侧中。在一些实施例中，封闭件350与固定壁组件320分离地形成并且从底壁326朝向顶壁324滑动以封闭腔室330。

当封闭件350处于闭合位置时，封闭件壁352封闭腔室330，使得器皿20在托架340内保持就位。在一些实施例中，托架340可具有一定厚度，使得当盒310闭合时，托架340被压缩在传递壁322和封闭件壁352之间。封闭件350可包括附接到封闭件壁352的内表面357的垫358。垫358可以在整个内表面357上延伸，也可以被定位成与孔342对准，使得垫358接合器皿20。垫358可以由与托架340类似的材料形成，也可以由不同的材料形成。在一些实施例中，垫358是绝缘材料以使封闭件壁352与器皿20绝缘。盒310的内表面，包括但不限于传递壁322和内表面357，可以具有疏水或超疏水涂层以防止器皿20粘连。当盒310打开时，涂层可以防止器皿20损坏。

现在参考图10-13，根据本公开的实施例提供托架保持器410。托架保持器410包括具有第一侧422和第二侧424的支架420。支架420的每一侧包括多个盒保持器430，每个盒保持器430被配置为容纳盒310。如图所示，支架420在每一侧包括三个盒保持器430，使得支架420支撑六个盒310。在实施例中，支架420的尺寸可被设计为在每一侧保持一到十个或更多个盒的范围。支架420的盒保持器430的数量可取决于相应盒内的器皿的尺寸以及支架插入到的冷冻柜的尺寸，如下文详述。盒保持器430可被配置为定向盒310，使得盒310的封闭件壁352面向支架420的内部以与另一盒310的封闭件壁352相对，并且传递壁322面向支架420的外部。例如，盒保持器430可包括钥匙432，而盒310可包括钥匙槽312，钥匙槽312被配置为容纳钥匙432以将盒310定向在盒保持器430内。钥匙432可以是突出部、成形拐角或必须容纳在钥匙槽以对盒310进行定向的其他特征。在一些实施例中，盒310包括钥匙并且盒保持器430限定钥匙槽以容纳钥匙来将盒310定向在盒保持器430内。在某些实施例中，盒保持器430或盒310可包括多于一把钥匙，而盒保持器430和盒310中的另一个可包括互补的钥匙槽以容纳相应的钥匙。在特定实施例中，盒保持器430和盒310可各自包括钥匙和钥匙槽，而另一个包括互补的钥匙槽和钥匙。

支架420包括压缩系统440，该压缩系统440允许第一侧422朝向和远离第二侧424移动，以允许将托架保持器410插入到框架510中和从框架510中移除而盒310不接触容热器，并当完全插入后接触容热器，如下详述。压缩系统440包括柱442和偏置构件444。柱442延伸在第一侧422和第二侧424之间，并且包括帽443，帽443限制第二侧424可与第一侧422间隔开的程度。偏置构件444定位在第一侧422和第二侧424之间以推动第一侧422和第二侧424彼此分开。在一些实施例中，偏置构件444是围绕柱442设置的压缩弹簧。压缩系统440还包括定位在第一侧422和第二侧424上的凸台446。凸台446延伸超过盒保持器430的末端并且定位在第一侧422和第二侧424的拐角处。在一些实施例中，第一侧422或第二侧424可包括位于第一侧422和第二侧424的顶部和底部的中点处的另一个凸台446。凸台446可以由促进滑动的材料形成，也可以包括滑动促进涂层。例如，当插入处于低温(例如-80℃)的框架中时，凸台446可以处于室温，使得滑动促进涂层可以在插入或移除期间防止凸台446或托架保持器410的结合。凸台446可在其前表面和后表面上包括斜面或倒角448以帮助插入和移除。

支架420可包括附接到支架420的第一侧422的手柄428，以供用户在将托架保持器410插入到框架中和从框架中移除期间抓握。如图所示，手柄428具有大致梯形的轮廓，但可以具有多种形状，包括但不限于C形轮廓或T形轮廓。

参考图14，公开根据本公开的实施例的框架510。框架510包括相对于彼此成固定关系的多个容热器600，其中通道520设置在容热器600之间。通道520的尺寸被设计为容纳托架保持器410，使得当托架保持器410(图11)被容纳在框架510内时，托架保持器410内的盒310的传递壁322均与容热器600接触。

参考图15和16，框架510(图14)的每个容热器600被成形为与托架保持器410(图11)配合工作，使得当托架保持器410可滑动地插入在相邻容热器600之间时，将盒310与容热器600间隔开，而当托架保持器410完全插入时，盒310与容热器600接触。容热器600包括壳体610，壳体610具有彼此相对并形成容热器600的中心部分的第一接触表面613和第二接触表面617。

壳体610包括分别在第一接触表面613和第二接触表面617上方和下方延伸的顶部660和底部670。顶部660和底部670彼此相似，因此本文将仅详细描述底部670，而顶部660的类似元件用前缀“66”来标记以代替底部670的类似元件的“67”。底部670包括凹槽672、切口674和轨道676。凹槽672延伸壳体610的长度，并且被配置为可滑动地容纳托架保持器410的凸台446(图11)。

另外参考图17和图18，当凸台446容纳在凹槽672内时，支架420的第一侧422和第二侧424相对于彼此处于压缩状态，使得盒310与容热器600间隔开。切口674定位在凹槽672的端部，并且尺寸设定为当托架保持器410完全容纳在框架510内时容纳凸台446。当凸台446被容纳在切口674内时，支架420的第一侧422和第二侧424相对于彼此处于未压缩状态，使得盒310与容热器600接触。导轨676的尺寸被设计为当托架保持器410插入框架510和从框架510移除时支撑托架保持器410。轨道676可以包括位于其前端的斜坡677，其将凸台446引导到凹槽672中。

参考图19-22，根据本公开描述托架保持器410插入框架510的通道520中。首先参考图19，托架保持器410与通道520对准，使得托架保持器410的凸台446与限定通道520的相邻容热器600的凹槽662、672对准。当托架保持器410与通道520外部的通道520对准时，托架保持器410处于未压缩状态，使得托架保持器410内的盒310的传递壁322可限定托架保持器410的厚度，该厚度大于通道520的宽度。

当凸台446进入容热器600的凹槽662、672(图15)时，凸台446将支架420的第一侧422和第二侧424推向彼此，使得托架保持器410朝压缩状态移动，如图20所示。在压缩状态下，托架保持器410内的盒310的传递壁322限定小于通道520的宽度的厚度，使得当托架保持器410插入到框架510中时，传递壁322与容热器600的接触表面613、617间隔开。凸台446与凹槽662、672的接合将托架保持器410在插入期间维持在压缩状态，如图21所示。将托架保持器410维持在压缩状态可以在插入期间防止盒310与托架保持器410和容热器600的接触表面613、617的其他元件之间的接触，以防止或减少在插入期间对容热器600的可能损坏。防止或减少对容热器600的可能损坏可以延长容热器600的寿命。

当托架保持器410如图22所示那样完全插入时，凸台446退出凹槽662、672并且被容纳在切口664内，使得偏置构件444将支架420的第一侧422和第二侧424推向未压缩状态，使得盒310的传递壁322与容热器600的接触表面613、617中的相应一个紧密接触。传递壁322和接触表面613、617之间的紧密接触可以促进或提升传入或传出盒310内的培养基的热能传递，以快速冷冻培养基。

托架保持器410的移除与插入相反，用户握住托架保持器410的手柄428(图17)以从框架510移除托架保持器410。当托架保持器410开始从图22所示的完全插入位置移动时，凸台446的倒角448接合凹槽662、672以将托架保持器410移向压缩位置，使得盒310脱离容热器600的接触表面613,617，直到托架保持器410从框架510完全移除或返回到完全插入位置为止。

如上所述，容热器600可以放置在ULT冷冻柜中以增强ULT冷冻柜快速冷冻培养基的能力。如上所述，培养基可以设置在盒310中，盒310可以放置在托架保持器410中以在处理和冷冻期间保护培养基。如下所述，上面详述的托架340还可以在分配培养基和将包括培养基的器皿装入盒310期间简化对培养基的处理。

现在参考图23-25，根据本公开的示例性实施例公开托架组件1340。托架组件1340包括托架、器皿、闩锁或钩部1350以及框架1360。为了本公开的目的，托架340和器皿20将用于描述托架组件1340，其具有限定在托架340中的附加特征以允许托架悬挂在其中支撑有器皿20的框架上。托架340在托架340的底部边缘处包括槽口1370，其被配置为朝向框架1360的内部定位。托架340还在托架340的相对侧上在托架340的顶部边缘处包括角部1380，该角部被配置为朝向框架1360的外侧定位，也如图7所示。钩部1350被容纳在角部1380中，使得钩部1350包括从托架340延伸的指状部1352。

框架1360包括下支撑件1362和上支撑件1366。框架1360还可以包括流体分配系统，该流体分配系统被配置为同时将流体分配到围绕中央分配中心1361支撑的多个器皿20。下支撑件1362可以是包括边缘1364的板或盘，边缘1364的尺寸被设计为容纳槽口1370。上支撑件1366呈围绕中央分配中心1361的圆形轨道或环的形式。钩部1350的指状部1352接合上支撑件1366以围绕中央分配中心1361支撑托架340，因而支撑托架内的器皿20。钩部1350与框架1360的上支撑件1366和/或槽口1370与下支撑件1362之间的接合可以限制托架组件1340相对于框架1360的自由度，使得托架组件固定就位，直到钩部1350从框架1360取下。

当托架组件1340悬挂在框架1360中时，器皿20的入口管1363从中央分配中心1361延伸到器皿20中，使得来自分配中心的流体流入器皿20中。入口管1363可包括无菌密封元件1365，无菌密封元件1365当器皿20被填充满时可被无菌地切断。框架1360可以被配置为同时将流体分配到1到40个托架组件1340(例如5个、10个或20个托架组件1340)中。示例性无菌密封元件可从Sartorius购买，品牌为分配中心、流体分配系统和支架的各种元件描述在2021年3月15日提交的美国专利申请序列号17/132,958中。

现在参考图26-29，根据本公开公开一种方法并且总体上称为方法2000。方法2000可以包括当组合时产生方法2000的子方法或过程。方法2000可包括将培养基同时分配至多个器皿的方法2100、从流体分配系统无菌地断开和移除器皿的方法2200以及冷冻柜皿内的培养基的方法2300。

参考图24的流体分配系统1300详细描述将培养基同时分配到多个器皿的方法2100。流体分配系统1300设置有围绕流体分配系统1300的中央分配中心1361设置的多个托架组件1340(步骤2110)。流体分配系统1300可以包括任意数量的托架组件1340。例如，流体分配系统1300可包括1至40个托架组件1340，并且在一些实施例中可包括5、10或20个托架组件1340。当提供时，每个托架组件1340通过钩部1350悬挂在框架1360的上支撑件1366上，钩部1350容纳在限定于托架340中的角部1380中并且由框架1360的下支撑件1362支撑，其中下支撑件的边缘1364容纳在限定于托架340中的槽口1370中。托架340的钩部1350和槽口1370与上支撑件1366和下支撑件1362配合以将托架组件1340相对于中央分配中心1361保持就位。托架组件1340包括支撑在托架340内的器皿20。器皿20包括流体连接中央分配中心1361和器皿20的入口管1363。入口管1363延伸穿过托架340的通道344。

流体分配系统1300连接至包含待分配至器皿20的培养基的器皿以形成封闭系统(步骤2120)。流体分配系统1300可以包括将中央分配中心1361流体连接到器皿的入口或供给管(未明确示出)。当流体分配系统1300连接至器皿时，启动泵(未明确示出)以将培养基提供至中央分配中心1361，中央分配中心1361将培养基分配至器皿20(步骤2130)。当将培养基提供至器皿20时，测量器皿中的培养基量以确定目标量培养基何时被分配到每个器皿20(步骤2140)。培养基的目标量可以通过称重流体分配系统1300的秤或测量进入或通过供给管的培养基量的流量计来测量。当达到培养基的目标量时，泵被停用(步骤2150)。在泵停用之后，流体分配系统1300的供给管可以无菌地与器皿断开(步骤2160)。在一些实施例中，培养基通过重力被提供给中央分配中心1361，而不使用泵。在这样的实施例中，可以操作阀来启动和停止培养基到流体分配系统1300的流动。在某些实施例中，在泵停用之后并且在无菌地断开供给管之前，可以将清洗流体引入到供给管中以将培养基推入器皿20中。清洗流体可以是缓冲液或空气。

特别参考图28，一旦泵被停用，根据如关于方法2200详细描述的本公开的示例性实施例，托架组件1340被无菌地断开并装载到盒310中。首先参考图24和25的流体分配系统，当提供入口管1363时，入口管1363包括设置在其周围的无菌密封元件1365。为了将托架组件1340与流体分配系统1300无菌地断开，使用工具1650来切断无菌密封元件1365，使得入口管1363被切断并且无菌地密封在切断的两端上(步骤2210)。当入口管1363被切断时，器皿20是托架组件1340内的封闭系统。在入口管1363被切断之后，托架组件1340可从流体分配系统1300中移除(步骤2220)。为了移除托架组件1340，提升托架组件1340使得钩部1350从框架1360的上支撑件1366取下(步骤2222)。当钩部1350从上支撑件1366取下后，托架组件1340围绕槽口1370和下支撑件1362倾斜或枢转(步骤2224)。随着托架组件1340围绕槽口1370倾斜或枢转，托架组件1340可被提升，使得槽口1370脱离下支撑件1362(步骤2226)。在一些实施例中，托架组件1340同时被提升并从上支撑件1366和下支撑件1362移除。随着入口管1363被切断并且钩部1350和槽口1370被释放，托架组件1340被释放并且可以从流体分配系统1300移除。

当托架组件1340从流体分配系统1300移除时，钩部1350可与托架组件1340分离(步骤2230)。可以通过拉动钩部1350来移除钩部1350，使得钩部1350与托架340的角部1380接合的那一部分与托架340分离。在钩部1350与托架340分离的情况下，入口管1363被塞入托架340的通道344中(步骤2240)，使得入口管1363设置在通道344内，如图7所示。具体地，入口管1363延伸穿过通道344a以离开托架340，当连接到流体分配系统1300时，入口管1363被塞入通道344b中，使得入口管1363设置在托架340内。

当入口管1363设置在托架340内时，包括托架340、填充有培养基的器皿20和入口管1363的托架组件1340被定位在盒310中，如图4所示(步骤2250)。托架组件1340定位在盒310中，其中盒310处于打开配置，使得封闭件350远离固定壁组件320枢转以提供通向腔室330的通道。当托架组件1340定位在盒310中时，托架340的传递元件346与盒310的传递壁322紧密接触。传递壁322可以包括定位在传递元件346所处位置以增强传递壁322和传递元件346之间的接触和热能传递的热凝胶或材料。

当托架组件1340设置在腔室330中时，封闭件350枢转至闭合配置以将托架组件1340封闭在腔室330内，如图6所示(步骤2260)。封闭件350可以包括垫358，垫358接合托架340和/或器皿20以促使器皿20与传递元件346接触。当封闭件350处于闭合配置时，封闭件特征360移动以接合封闭件350和固定壁组件320，以将盒310锁定或维持在闭合配置(步骤2270)。封闭件特征360可以是铰接至固定壁组件320的C形元件。封闭件特征360可包括肋362，肋362接合折痕364以防止封闭件350朝打开配置移动。

可以重复方法2200，直到所有托架组件1340从流体分配系统1300移除并装载到相应的盒310中。与之前的方法相比，方法2200可以减少将器皿20移除并装入盒中以进行冷冻的时间量。因此，单个实验室技术人员或用户能够在给定的时间内移除并包装更多数量的器皿20。这种产量的增加可以提高设施的生产效率。另外，通过将器皿20预装载在可以直接悬挂在流体分配系统1300上的托架340中，可以提高将器皿20包装到盒310中的精确度和准确度。此外，对器皿20的处理可以通过断开器皿20和包装入盒310中来进行简化。

参考图29，根据本公开描述冷冻器皿20内的培养基的方法2300。为了准备冷冻器皿20内的培养基，对框架510的容热器600充冷(步骤2310)。为了对容热器600充冷，将容热器600放置在适当的冷冻柜(例如ULT冷冻柜)中，并用足够的时间对容热器600内的PCM充冷。由于容热器600内的PCM可能需要大量时间来充冷，例如冷冻PCM，因此在将盒310装载到框架510中之前，可以将容热器600放置或留在冷冻柜中至少12或24小时，如详细如下。容热器600可以在将用于冷冻盒310的冷冻柜中充冷，也可以在专门用于对容热器600充冷的单独的冷冻柜中充冷。在一些实施例中，框架510安装在冷冻柜中，容热器600固定在框架510内，并且在不使用时留在冷冻柜中，使得容热器600在冷冻操作之间缓慢或涓流充冷。当容热器600在单独的冷冻柜中充冷时，框架510或容热器600被移动到冷冻柜中以在冷冻器皿20中的培养基之前进行冷冻。在某些实施例中，容热器600在冷冻培养基之前形成到冷冻柜中的框架510中。

如上所述，每个容热器600可包括与传感器622信号通信的充冷指示器620，传感器622提供容热器600的充冷状态的视觉标记。方法2300可以包括验证容热器600的充冷状态(步骤2315)。

当容热器600充冷时，将盒310装载到托架保持器410中，如图11所示(步骤2320)。如上所述，盒310和/或托架保持器410可以包括钥匙和钥匙槽以对盒310进行定向，使得盒的递壁322定向到托架保持器410的外侧。如图11所示，托架保持器410具有六个盒保持器430，其中在支架420的每一侧上有三个。如上所述，托架保持器410可以具有不同数量的盒310，这取决于盒310的尺寸和/或保持框架510的冷冻柜的尺寸。在一些实施例中，托架340可以在不使用盒310的情况下被装载到托架保持器410中，使得托架340可直接插入到托架保持器410中。在这样的实施例中，托架340可以与容热器600直接接触。

当盒310装载到托架保持器410中时，将托架保持器410插入到框架510中。如图19所示，托架保持器410在未压缩状态下与通道520对准(步骤2330)。当托架保持器410与通道520对准时，托架保持器410被推入框架510中，且凸台446进入容热器600的凹槽662、672中，使得凸台446将托架保持器410转变为压缩状态，如图20所示(步骤2340)。如上所述，在压缩状态下，盒310与容热器600间隔开。当托架保持器410到达完全插入位置时，凸台446被容纳在切口664中，使得托架保持器410朝未压缩状态扩张，使得盒310的热壁322与相应的一个容热器600的相应接触表面613、617的紧密接触(步骤2350)。可以重复将托架保持器410装载到框架510中，直到特定冷冻柜内的每个框架510都填充有托架保持器410或者填充有器皿20的所有盒310都被装载到冷冻柜中为止。

当冷冻柜被装满或所有盒310被装载到框架510中时，冷冻柜被关闭，使得冷冻柜与容热器600配合以快速冷冻盒310内的培养基(步骤2360)。如上所述，容热器600可以被配置为以每分钟1℃至4℃的速率快速冷冻盒310内的培养基，直到培养基达到期望的温度，例如，-80℃至-50℃。容热器600可以允许大量培养基在传统的ULT冷冻柜中快速冷冻，而不需要专业的冷冻设备，例如5L或更多的培养基。

当培养基达到期望的温度时，托架保持器410可以从框架510移除(步骤2370)，并且盒310可以从托架保持器410移除并且装载到用于运输的运输容器、用于存储的存储容器，或被返回至托架保持器410和框架510外部的ULT冷冻柜以供储存直至使用(步骤2380)。在一些实施例中，盒310可被放置于超低温储存器中并冷冻至低于-80℃(例如-150℃或更低)的温度。在某些实施例中，盒310可以在被放置于超低温储存器中或运输之前在ULT冷冻柜中储存一段时间。托架保持器410的移除与插入相反，用户握住托架保持器410的手柄428以从框架510移除托架保持器410。当托架保持器410开始从图23所示的完全插入位置移动时，凸台446的倒角448接合凹槽662、672以将托架保持器410移向压缩位置，使得盒310脱离容热器600的接触表面613、617，直到托架保持器410被完全从框架510移除或返回到完全插入位置。

托架组件1340可以提高将培养基分配到器皿、无菌地断开器皿以及冷冻柜皿内的培养基的效率。可通过提供预加载到托架组件中的器皿来获得效率，使得减少数量的实验室技术人员能够管理将培养基分配和冷冻培养基从主器皿到多个辅助器皿的过程。本文详述的方法减少将培养基分配到多个辅助器皿以及将辅助器皿装载到冷冻柜中以冷冻所分配的培养基所需的步骤。此类过程必须及时完成，因此步骤的减少和过程的简化可以减少分配和冷冻培养基所需的时间。本文详述的装置和方法可以允许单个实验室技术人员在保存培养基所需的时间段内分配培养基、断开器皿、将托架组件装载到盒中、以及将盒放入冷冻柜中。例如，单个技术人员能够利用本文详述的装置和方法将培养基从单个器皿分配至100个辅助器皿，并在可接受的时间段内冷冻辅助器皿内的培养基以保存培养基。另外，本文详述的装置和方法可以允许减少分配和冷冻培养基的占地面积。这种减少的占地面积可以允许完成额外的过程。

如上所述，盒和辅助器皿可被认为是最大100mL甚至500mL的手动处理器皿。在本公开的范围内，辅助器皿对于手动处理的器皿可以高达16L，而对于机械辅助的器皿可以高达100L。使用与容器接触的容热器可以快速冷冻这些较大的容器。

上面详细描述的容热器、盒、系统和方法已经关于快速冷冻培养基进行了描述。预期类似的容热器、盒、系统和方法也可用于解冻或加热培养基。具体地，容热器可以填充有转变温度在20℃至100℃范围内的PCM，并且被放置在水浴液中以使容热器内的PCM充冷。充冷后，可以将容热器从水浴液中移除并放置在与盒接触以快速加热或解冻设置在与容热器接触的容器中的培养基。在此类应用中，容热器可以向容器内的培养基提供热量以快速加热或解冻容器内的培养基。容热器可以在非搅拌液体或水浴液、搅拌液体或水浴液、或再循环液体或水浴液中充冷。液体或水浴液可用于加热或冷却容热器。

虽然附图中示出了本公开的若干实施例，但并不旨在将本公开限制于此，因为本公开旨在允许本领域内尽可能宽的范围并且在同样意义下阅读说明书。还可以设想上述实施例的任何组合，并且这些组合也落入所附权利要求的范围内。因此，以上描述不应被解释为限制性的，而仅作为特定实施例的示例。本领域技术人员将设想在所附权利要求书的范围内的其他修改。

Claims (41)

1.一种容热器，包括：

壳体，其包括被配置为接触包括待冷冻培养基的容器的第一主表面，所述壳体限定一空腔；以及

相变材料(PCM)，其被设置在空腔内，该PCM具有在-80℃至-50℃范围内的转变温度，该容热器被配置为在容器与壳体接触的情况下将培养基从室温快速冷冻到至少-50℃。

2.根据权利要求1所述的容热器，其中所述第一主表面包括用于增强传入或传出所述PCM的热能传递的材料。

3.根据权利要求2所述的容热器，其中所述壳体包括与所述第一主表面相对的第二主表面，所述第二主表面被配置为接触包括待冷冻培养基的另一容器，所述第二主表面包括用于增强传入或传出所述PCM的热能传递的材料。

4.根据权利要求1所述的容热器，其中所述PCM设置在位于所述空腔内的包装内。

5.根据权利要求1所述的容热器，其中所述PCM具有在-72℃至-67℃范围内的转变温度。

6.根据权利要求1所述的容热器，还包括位于所述壳体上的充冷指示器，所述充冷指示器用于提供所述PCM的充冷状态。

7.根据权利要求6所述的容热器，还包括传感器，用于确定所述PCM的充冷状态，所述传感器与所述充冷指示器通信。

8.根据权利要求7所述的容热器，其中所述传感器为电阻温度检测器、热电偶、热敏电阻、超声波传感器或光学传感器。

9.根据权利要求1所述的容热器，其中所述容热器被配置为以每分钟1℃至4℃范围内的冷却速率冷冻培养基。

10.一种快速冷冻系统，包括：

ULT冷冻柜，其限定用于容纳培养基的内部，该ULT冷冻柜能够将内部内的培养基维持在低于-50℃的温度；以及

容热器，其设置在ULT冷冻柜的内部，该容热器包括：

壳体，其包括配置为接触包括待冷冻培养基的容器的第一主表面，该壳体限定一空腔；以及

相变材料(PCM)，其被设置在空腔内，该PCM具有在-80℃至-50℃范围内的转变温度，该容热器被配置为在所述容器包括与壳体接触的培养基的情况下将培养基从室温快速冷冻到至少-50℃。

11.根据权利要求10所述的快速冷冻系统，其中所述容热器能够快速冷冻培养基，而无需来自所述ULT冷冻柜的额外制冷功率。

12.根据权利要求10所述的快速冷冻系统，其中所述ULT冷冻柜在各冷冻过程之间对所述容热器进行涓流充冷。

13.根据权利要求10所述的快速冷冻系统，其中所述ULT冷冻柜的内部在冷冻5升或更多培养基的过程中维持在低于-50℃的温度。

14.一种快速冷冻系统，包括：

支架；以及

多个容热器，每个容热器安装在支架内，使得待冷冻培养基能够被容纳在相邻容热器之间，每个容热器包括：

壳体，其限定一空腔；以及

相变材料(PCM)，其被设置在空腔内，所述PCM具有在-80℃至-50℃范围内的转变温度。

15.根据权利要求14所述的快速冷冻系统，其中每个容热器包括接触表面，所述接触表面被配置为接触包括待冷冻培养基的容器，所述接触表面由增强传入或传出所述PCM的热能传递的材料形成。

16.根据权利要求14所述的快速冷冻系统，其中所述壳体由铝形成并且包括限定所述空腔的壁。

17.根据权利要求16所述的快速冷冻系统，其中限定所述空腔的壁被阳极氧化或镀镍。

18.根据权利要求16所述的快速冷冻系统，其中所述PCM被密封在设置于所述空腔内的包装内。

19.根据权利要求18所述的快速冷冻系统，其中所述包装由含氟聚合物或硅橡胶形成。

20.根据权利要求14所述的快速冷冻系统，其中所述容热器中的至少一个包括传感器组件，所述传感器组件提供所述至少一个容热器内的PCM的充冷状态的指示。

21.根据权利要求20所述的快速冷冻系统，其中所述传感器组件包括选自由电阻温度检测器、热电偶、热敏电阻、光学传感器或超声波传感器组成的组的传感器。

22.根据权利要求14所述的快速冷冻系统，其中所述支架包括上导轨和下导轨，所述多个容热器可滑动地安装在所述上导轨和下导轨上。

23.根据权利要求14所述的快速冷冻系统，还包括ULT冷冻柜，所述支架设置在所述ULT冷冻柜内，所述多个容热器被配置为增加能够被所述ULT冷冻柜冷冻的培养基的量而所述ULT冷冻柜不偏离超过最高温度。

24.根据权利要求23所述的快速冷冻系统，其中具有所述支架的所述ULT冷冻柜能够冷冻5升培养基而不会明显偏离设定点温度。

25.根据权利要求23所述的快速冷冻系统，其中所述ULT冷冻柜的最高温度为-50℃。

26.根据权利要求14所述的快速冷冻系统，其中所述容热器固定在所述支架内，使得在相邻容热器之间限定有通道。

27.根据权利要求14所述的快速冷冻系统，还包括托架保持器，用于插入到相邻容热器之间的通道中，所述托架保持器具有第一侧和第二侧，所述第一侧和所述第二侧中的每一个均被配置为容纳包括待冷冻培养基的容器。

28.根据权利要求27所述的快速冷冻系统，其中所述托架保持器具有压缩配置和未压缩配置，在所述压缩配置中所述托架保持器具有第一厚度，而在所述未压缩配置中所述托架保持器具有大于所述第一厚度的第二厚度，所述第一侧和所述第二侧能够在压缩配置和未压缩配置之间相对于彼此移动。

29.根据权利要求28所述的快速冷冻系统，其中在所述压缩配置中，所述容器与所述容热器间隔开，并且在所述未压缩配置中，所述盒的至少一个表面与相应的容热器接触。

30.根据权利要求28所述的快速冷冻系统，其中所述第一厚度小于所述通道的通道厚度，而所述第二厚度大于所述通道厚度。

31.根据权利要求28所述的快速冷冻系统，其中所述托架保持器包括设置在所述第一侧和所述第二侧之间的偏置构件，所述偏置构件推动所述第一侧和所述第二侧彼此远离，使得所述托架保持器被推向未压缩配置。

32.根据权利要求31所述的快速冷冻系统，其中每个容热器包括凹槽和与所述凹槽的每一端对准并定位在所述凹槽的每一端处的切口，所述托架保持器包括从所述第一侧延伸的第一凸台和从所述第二侧延伸的第二凸台，所述第一凸台和所述第二凸台可滑动地容纳在凹槽中并且能容纳在切口中，所述托架保持器当第一凸台和第二凸台容纳在凹槽内时处于压缩配置，而当第一凸台与第二凸台设置于槽口内时处于压缩配置和未压缩配置之间。

33.一种快速冷冻培养基的方法，该方法包括：

对设置在ULT冷冻柜内的多个容热器充冷，所述多个容热器中的每一个包括具有在-80℃至-50℃范围内的转变温度的PCM；并且

将包括待冷冻培养基的多个容器放置在ULT冷冻柜内，所述多个容器中的每一个与所述多个容热器中的至少一个接触，使得所述多个容热器中的至少一个直接向包括培养基的容器提供冷冻功率，以将容器内的培养基从室温快速冷冻至-50℃，使得ULT冷冻柜的内部在培养基冷冻期间保持在-50℃以下。

34.根据权利要求33所述的方法，其中在冷冻至少5升培养基期间，所述ULT冷冻柜的最高温度为-50℃。

35.根据权利要求33所述的方法，其中放置包含待冷冻培养基的所述多个容器包括培养基的总量为至少5升。

36.根据权利要求33所述的方法，其中将包含待冷冻培养基的所述多个容器放置在所述ULT冷冻柜内包括将多个盒中的每个盒放置为与所述多个容热器中的所述至少一个接触。

37.根据权利要求36所述的方法，还包括将包含待冷冻培养基的器皿插入相应的盒中。

38.根据权利要求36所述的方法，还包括：

将所述多个盒插入托架保持器中；并且

将托架保持器插入限定在相邻容热器之间的通道中。

39.根据权利要求38所述的方法，其中插入所述托架保持器包括具有未压缩配置和压缩配置的托架保持器，其中在插入所述通道期间，所述托架保持器处于压缩配置，其中所述盒与所述容热器间隔开，并且当完全插入时，托架保持器向未压缩配置扩张，使得每个盒与至少一个容热器直接接触。

40.根据权利要求39所述的方法，其中在插入期间，所述托架保持器的凸台在所述容热器的凹槽内滑动，所述凸台与凹槽的相互作用将所述托架保持器推向所述压缩配置，当所述托架保持器完全插入时，所述凸台容纳在槽口内使得托架保持器朝向未压缩配置扩张。

41.根据权利要求33所述的方法，其中放置包含待冷冻培养基的所述多个容器所包括的所述待冷冻培养基为高细胞密度培养物。