CN220624603U - 一种多功能定向冷冻装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种多功能定向冷冻装置，包括液氮罐、导热棒、冷板和模具；液氮罐的顶部设有供导热棒插入的插入孔，导热棒的中下部插入液氮罐内的液氮中，并通过密封圈与液氮罐密封连接；导热棒的上端与冷板的中心垂直连接；模具安装于冷板上，模具内部至少设有一个用于水平方向上导热的导热部，导热部的底部与冷板抵接。该装置在模具中设置至少一个底部与冷板抵接的导热部，通过冷板提供竖直方向的温度梯度，至少一个导热部提供至少一个水平方向的温度梯度，实现了为模具提供多个方向温度梯度的目标，能够满足组织工程细胞支架的制备需求。同时，导热部的设置个数可以根据需要灵活调节，使用方便，具有较强的普适性和实用性。

Description

一种多功能定向冷冻装置

技术领域

本实用新型属于定向冷冻技术领域，具体涉及一种多功能定向冷冻装置。

背景技术

定向冷冻是制备组织工程细胞支架的一种冷冻干燥技术，因其成本低廉，工艺简单，所以定向冷冻干燥技术广泛的组织工程细胞支架的制备，通过定向冷冻技术获得的组织工程支架可用于3D细胞培养，人体仿生组织的制备和充当细胞外基质。

组织工程细胞支架的制备的微观结构需要适合细胞生长，一般是内部孔洞相互连通的三维网状结构，因此需要定向冷冻装置提供多个方向的温度梯度(多方向定向冷冻)，在不同方向的温度梯度内，冰晶按照各自方向的温度梯度进行生长，多个方向的生长的冰晶相互连通，进而现产品内部孔洞相互连通的效果。然而传统的定向冷冻装置一般只能提供单方向的定向冷冻，最多也仅能提供两个方向的温度梯度，不能满足组织工程细胞支架的制备需求。

实用新型内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种能够提供多个方向温度梯度，满足组织工作细胞支架制备需求的多功能定向冷冻装置。

一种多功能定向冷冻装置，包括：

顶部设有插入孔的液氮罐；

下端通过所述插入孔进入液氮罐的导热棒；

中心处与导热棒顶端垂直连接的冷板；

置于冷板上的模具，所述模具内设有至少一个用于水平方向上导热的导热部，所述导热部的底部与所述冷板抵接。

上述多功能定向冷冻装置中，冷板直接为模具内的溶液提供竖直方向上的温度梯度，导热部底部直接与冷板连接，能够获得冷板提供的持续冷量，使模具内的溶液获得水平方向上的温度梯度。通过该种设置能够为定向冷冻提供多个方向上的温度梯度，实现不同结构样品的制备。

冰晶的初始形成温度对产品内部连通结构也具有较大影响。作为优选，所述导热部所用材质的导热系数与冷板材质的导热系数相同。本技术方案中，导热部使用与冷板相同导热系数的材质与冷板相连，保证了初始的冰晶形成速率和冰晶生长速率尽可能一致，因此最终的样品可以很好的达到相互连通的效果。

作为优选，所述模具为上下两端开口的方形管状结构，其底部直接与冷板连接，所述模具的至少一侧内壁上设有导热铜片，所述导热铜片即为所述导热部。导热铜片将冷板的冷量传导至模具的侧边，当模具中倒入溶液进行定向冷冻时，底部冷板和至少一侧内壁的导热铜片可以为溶液提供至少两个方向上的温度梯度。可根据实际需要选择模具的一侧或多侧内壁设置导热铜片，当设置多个导热铜片时，其设置位置的不同也可以制备得到内部结构不同的样品，满足不同结构的产品需求。如在模具的相对两侧内壁分别设置导热铜片，与相邻两侧内壁分别设置导热铜片所产生的水平方向上的两个温度梯度的方向不同，即可产生内部结构不同的产品。

需要指出的是，如今需要竖直单向的温度梯度，则可以选择不设置导热铜片的模具直接进行定向冷冻。

作为优选，所述模具为顶部开口、底部由绝热材料封口的圆形管状结构，所述模具的中部竖直设有导热铜柱，所述导热铜柱的下端穿过模具底部直接与冷板抵接；所述导热铜柱为所述导热部。当溶液倒入模具中时，导热铜柱从冷板获得的冷源由其自身向外发散，形成发散的温度梯度，进而可以制备得到环形的样品。

作为优选，所述导热棒采用纯度大于99.95％的T2级别的紫铜制备得到。此类紫铜材料杂质较少，且所含杂质对导热棒和冷板的导热性和导电性影响较小，因此能够赋予导热棒和冷板良好的导电性、导热性、耐腐蚀性和加工性能。

作为优选，冷板可以是纯度大于99.95％的T2级别的紫铜板，也可以是其他导热系数材质的导热板材，如合金等。

作为优选，所述冷板的侧壁上设有用于插入温度计探头的探孔。将温度计插入冷板的探孔中可以监测冷板的实时温度，温度计可以外接显示屏，用于显示冷板的实时温度。探孔可以根据需要设置一个或多个。相比于传统的定向冷冻装置，一般没有实时的温度检测。本技术方案通过在冷板上预留安装温度计探头的探孔的方式，在实验开始前将温度计的探头放入到冷板中去，就可以读出冷板的实时温度。

作为优选，所述导热棒位于液氮中的部分内部中空设置。由此，导热棒的上端为实心结构，中下部为中空结构，导热棒位于液氮中时，液氮可以充盈在导热棒中空结构内，缩短了温度传到距离和实验前准备时间，提高导热效率，加快温度的传到和节省液氮。

作为优选，所述导热棒与液氮罐之间通过密封圈进行密封。

作为优选，所述冷板与导热棒通过相匹配的内外螺纹实现可拆卸连接。其中，内螺纹设于冷板中心处并沿冷板厚度方向贯穿，外螺纹设于导热棒上端，其长度与内螺纹长度相等；二者连接后导热棒的顶端与冷板的上表面齐平。将冷板和导热棒设置成可拆卸连接，一方面针对需要不同冷冻温度的样品，可以更换相应导热系数的冷板，以调整冷板的导热温度，增加了装置的普适性；另一方面，当装置处于非工作状态时，方便收纳，由此液氮罐可以封闭插入孔进行保存，减少液氮的挥发，避免浪费。

作为进一步优选，冷板与导热棒螺纹连接处涂有导热油，便于拆卸和导热。

环境温度对于样品的影响较大，一般的定向冷冻装置虽然由隔热措施，但是无法隔绝空气中的水分进入模具，因此，进入的水分会在冷板上结霜或者结冰，然而结霜或者结冰后的温度并不是冷板真正的温度，因此，制备的样品可能会存在误差。

作为优选，所述模具外部设有为定向冷冻过程提供真空或氮气环境的隔热罩。所述隔热罩可以为密封性较高的透明罩体，与冷板共同限定定向冷冻的密封腔室，可以外接管道，提供真空或氮气环境，实现隔热和隔绝水分的效果。

在本技术方案中，设置的隔热罩利用惰性气体挤出空气或抽真空的方式不仅可以隔热还可以除去结霜的烦恼，减少了实验的误差，提高样品质量。

作为进一步优选，隔热罩提供氮气环境时，所述多功能定向冷冻装置还包括小型氮气控制系统，所述小型氮气控制系统用于收集液氮气化时的氮气，并且通过与氮气罐相连，保证隔热罩充满氮气，通过惰性气体做一个隔绝环境，减少空气中的水分进入和温度对样品造成影响。

更进一步地，隔热罩内设有氮气循环扇，以减少空气对样品的影响。

作为进一步优选，隔热罩提供真空环境时，隔热罩外接真空泵，通过真空泵对隔热罩内部抽真空，减少环境温度及水分对样品的影响。

更进一步地，定向冷冻时，隔热罩内真空度小于20Pa。

作为进一步优选，所述隔热罩的侧面设有一个用于放置模具和添加溶液的小门，小门闭合时与隔热罩形成密封的一体。

作为优选，冷板及导热棒裸露在空气中的部分外设有一层保温棉。冷板外部的保温棉减少了其在空气中的冷量损失，增加了保温效果，确保样品在整个定向冷冻过程中接受的冷源温度保持恒定。而导热棒外部的保温棉同样可以减少导热棒的外部冷量损失，导热棒大部分位于液氮之中，保温棉的设置可以保证液氮温度传到的恒定，从而最大限度保证冷板整体的温度恒定。冷板上放置模具的区域作为冷板的工作区，其他区域作为非工作区，保温棉设于冷板的非工作区。

作为优选，组成所述模具的绝热材料选用二甲基硅氧烷，导热部材料选用T2级别紫铜，二者配合能够很好地适配几乎所有的样品溶液。

作为优选，所述液氮罐为储存型液氮罐，能够长期稳定地为模具提供冷源。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型的多功能定向冷冻装置，在模具中设置至少一个底部与冷板抵接的导热部，通过冷板提供竖直方向的温度梯度，至少一个导热部提供至少一个水平方向的温度梯度，实现了为模具提供多个方向温度梯度的目标，能够满足组织工程细胞支架的制备需求。同时，导热部的设置个数可以根据需要灵活调节，使用方便，具有较强的普适性和实用性。

附图说明

图1为本实用新型实施例放置方形模具时的剖面结构示意图；

图2为本实用新型实施例中环形模具的结构示意图。

图中：1-储液罐、2-导热棒、3-冷板、4-方形模具、5-导热铜片、6-隔热罩、7-保温棉、8-探孔、9-密封圈、10-环形模具、11-导热铜柱。

具体实施方式

如图1所示，一种多功能定向冷冻装置，包括液氮罐1、导热棒2、冷板3和模具；

液氮罐1的顶部设有供导热棒2插入的插入孔，导热棒2的中下部插入液氮罐1内的液氮中，并通过密封圈9与液氮罐1密封连接；导热棒2的上端与冷板3的中心垂直连接；模具安装于冷板3上，模具内部至少设有一个用于水平方向上导热的导热部，导热部的底部与冷板3抵接。上述多功能定向冷冻装置中，冷板3直接为模具内的溶液提供竖直方向上的温度梯度，导热部底部直接与冷板3连接，能够获得冷板3提供的持续冷量，使模具内的溶液获得水平方向上的温度梯度。通过该种设置能够为定向冷冻提供多个方向上的温度梯度，实现不同结构样品的制备。

上述结构中，导热部优选使用与冷板3具有相同导热系数的材质与冷板3相连，保证了初始的冰晶形成速率和冰晶生长速率尽可能一致，因此最终的样品可以很好的达到相互连通的效果。

液氮罐1为储存型液氮罐，能够长期稳定地为模具提供冷源。

导热棒2采用纯度大于99.95％的T2级别的紫铜制备得到。此类紫铜材料杂质较少，且所含杂质对导热棒2的导热性和导电性影响较小，因此能够赋予导热棒2良好的导电性、导热性、耐腐蚀性和加工性能。

冷板3可以是纯度大于99.95％的T2级别的紫铜板，也可以是其他导热系数材质的导热板材，如合金等。冷板3一般情况下选用紫铜板。

模具的绝热材料选用二甲基硅氧烷，导热部5材料选用T2级别紫铜(与冷板3导热系数相同)，二者配合能够很好地适配几乎所有的样品溶液。

在本实用新型的一些实施例中，冷板3及导热棒2裸露在空气中的部分外设有一层保温棉7。冷板3外部的保温棉7减少了其在空气中的冷量损失，增加了保温效果，确保样品在整个定向冷冻过程中接受的冷源温度保持恒定。而导热棒2外部的保温棉7同样可以减少导热棒2的外部冷量损失，导热棒2大部分位于液氮之中，保温棉7的设置可以保证液氮温度传到的恒定，从而最大限度保证冷板3整体的温度恒定。冷板3上放置模具4的区域作为冷板3的工作区，其他区域作为非工作区，保温棉7设于冷板3的非工作区。

在本实用新型的另一些实施例中，模具为上下两端开口的方形管状结构，即为方形模具4，其底部直接与冷板3连接，方形模具4的至少一侧内壁上设有导热铜片5，其中，导热铜片5即为导热部。导热铜片5将冷板3的冷量传导至方形模具4的侧边，当方形模具4中倒入溶液进行定向冷冻时，底部冷板3和至少一侧内壁的导热铜片5可以为溶液提供至少两个方向上的温度梯度。可根据实际需要选择方形模具4的一侧或多侧内壁设置导热铜片5，当设置多个导热铜片5时，其设置位置的不同也可以制备得到内部结构不同的样品，满足不同结构的产品需求。如在方形模具4的相对两侧内壁分别设置导热铜片5，与相邻两侧内壁分别设置导热铜片5所产生的水平方向上的两个温度梯度的方向不同，即可产生内部结构不同的产品。

需要指出的是，如今需要竖直单向的温度梯度，则可以选择不设置导热铜片5的方形模具4直接进行定向冷冻。

在本实用新型的一些实施例中，冷板3的侧壁上设有用于插入温度计探头的探孔8。将温度计插入冷板3的探孔8中可以监测冷板的实时温度，温度计可以外接显示屏，用于显示冷板3的实时温度。探孔8可以根据需要设置一个或多个。

在本实用新型的另一些实施例中，导热棒2位于液氮中的部分内部中空设置。由此，导热棒2的上端为实心结构，中下部为中空结构，导热棒2位于液氮中时，液氮可以充盈在导热棒2中空结构内，缩短了温度传到距离和实验前准备时间，提高导热效率，加快温度的传到和节省液氮。

在本实用新型的又一些实施例中，冷板3与导热棒2通过相匹配的内外螺纹(图中未示出)实现可拆卸连接。其中，内螺纹设于冷板3中心处并沿冷板3厚度方向贯穿，外螺纹设于导热棒2上端，其长度与内螺纹长度相等；二者连接后导热棒2的顶端与冷板3的上表面齐平。将冷板3和导热棒2设置成可拆卸连接，一方面针对需要不同冷冻温度的样品，可以更换相应导热系数的冷板3，以调整冷板3的导热温度，增加了装置的普适性；另一方面，当装置处于非工作状态时，方便收纳，由此液氮罐1可以封闭插入孔进行保存，减少液氮的挥发，避免浪费。

冷板3与导热棒2螺纹连接处涂有导热油，便于拆卸和导热。

在本实用新型的一些实施例中，模具外部设有为定向冷冻过程提供真空或氮气环境的隔热罩6。隔热罩6与冷板3共同限定出定向冷冻的密封空间，通过通入氮气或抽真空，使定向冷冻过程隔离空气温度和水分。隔热罩6可以为密封性较高的透明罩体，可以外接管道，提供真空或氮气环境，实现隔热和隔绝水分的效果，不仅可以隔热还可以除去结霜的烦恼，减少了实验的误差，提高样品质量。

在本实用新型的一个实施例中，隔热罩6提供氮气环境时，多功能定向冷冻装置还包括小型氮气控制系统，小型氮气控制系统用于收集液氮气化时的氮气，并且通过与氮气罐相连，保证隔热罩6充满氮气，通过惰性气体做一个绝热环境，减少空气中的水分进入和温度对样品造成影响。

更进一步地，隔热罩6内还可以设置氮气循环扇，以减少空气对样品的影响。

在本实用新型的另一个实施例中，隔热罩6内为真空状态时，隔热罩6外接真空泵，通过真空泵对隔热罩6内部抽真空，减少环境温度及水分对样品的影响。

更进一步地，定向冷冻时，隔热罩6内真空度小于20Pa。

在本实用新型的又一个实施例中，隔热罩6的侧面设有一个用于放置模具和添加溶液的小门，小门闭合时与隔热罩6形成密封的一体。

如图2所示，在本实用新型的一个实施例中，模具为顶部开口、底部由绝热材料封口的圆形管状结构，即环形模具10；环形模具10的中部竖直设有导热铜柱11，导热铜柱11的下端穿过环形模具10底部直接与冷板3抵接。当溶液倒入环形模具10中时，导热铜柱11从冷板3获得的冷源由其自身向外发散，形成发散的温度梯度，进而可以制备得到环形的样品。

本实用新型的多功能定向冷冻装置的工作过程为：

1.将冷板3的非工作区域及导热棒2暴露在空气中的部分使用保温棉6进行包裹；

2.将温度计放入冷板的温度探孔8中；

3.将液氮加入到液氮罐1中，盖上盖子，等待液氮罐1中的液氮稳定，将包裹好保温棉6的冷板3和导热棒2通过螺纹进行连接；连接完成后，打开盖子缓缓放入液氮罐1中，将密封圈9固定在液氮罐1与导热棒2的接口处，该过程需注意放置液氮飞溅并注意防止冻伤；

4.将隔热罩6放置在冷板3的工作区后充入氮气，等待氮气充满，空气排尽；或使用真空泵抽取其中的空气，等待真空度降至20Pa以内；

5.将模具通过隔热罩6侧面的小门放置在冷板3上，向模具中快速注入样品溶液，关闭小门，等待定向冷冻完成即可；

6.将定向冷冻完成的样品通过冷冻干燥机冻干，冻干完成后即可收获所需样品。

Claims (8)

1.一种多功能定向冷冻装置，其特征在于，包括：

顶部设有插入孔的液氮罐；

下端通过所述插入孔进入液氮罐的导热棒；

中心处与导热棒顶端垂直连接的冷板；

置于冷板上的模具，所述模具内设有至少一个用于水平方向上导热的导热部，所述导热部的底部与所述冷板抵接。

2.根据权利要求1所述的多功能定向冷冻装置，其特征在于，所述模具为上下两端开口的方形管状结构，其底部直接与冷板连接，所述模具的至少一侧内壁上设有导热铜片，所述导热铜片即为所述导热部。

3.根据权利要求1所述的多功能定向冷冻装置，其特征在于，所述模具为底部由绝热材料封口的圆形管状结构，所述模具的中部竖直设有导热铜柱，所述导热铜柱的下端穿过模具底部直接与冷板抵接；所述导热铜柱为所述导热部。

4.根据权利要求1所述的多功能定向冷冻装置，其特征在于，所述冷板的侧壁上设有用于插入温度计探头的探孔。

5.根据权利要求1所述的多功能定向冷冻装置，其特征在于，所述导热棒位于液氮中的部分内部中空设置。

6.根据权利要求1所述的多功能定向冷冻装置，其特征在于，所述冷板与导热棒通过相匹配的内外螺纹实现可拆卸连接。

7.根据权利要求1所述的多功能定向冷冻装置，其特征在于，所述模具外部设有为定向冷冻过程提供真空或氮气环境的隔热罩。

8.根据权利要求1所述的多功能定向冷冻装置，其特征在于，冷板及导热棒裸露在空气中的部分外设有一层保温棉。