本發(fā)明涉及到生物材料玻璃化保存中的降/復溫領(lǐng)域，具體為一種面向玻璃化保存的降復溫工質(zhì)驅(qū)動裝置及其控制方法。

背景技術(shù)：

低溫保存是眾多生物材料目前唯一有效的長期保存手段，在國計民生的眾多領(lǐng)域都發(fā)揮著不可替代的作用。在臨床醫(yī)學領(lǐng)域，越來越多的疾病可以通過細胞和組織的移植而得到醫(yī)治，大規(guī)模的低溫保存則是解決這些重要生物材料臨床供應問題的重要手段。低溫保存的生物材料需要經(jīng)歷從常溫至低溫的跨越，這一過程中冰晶生長是保存成功的最大障礙。玻璃化保存是一種革命性的新方法，在玻璃化保存的過程中生物樣品內(nèi)不產(chǎn)生(或僅產(chǎn)生極少量)冰晶，溶液的濃度無明顯變化，過冷時間短，因此能有效避免各種因素導致的低溫損傷，相對傳統(tǒng)方法有原理性的突破。

為了獲得玻璃化轉(zhuǎn)變所需的超高降復溫速率，標準方法中使用細管(French Mini-straw,0.25ml)承載微量樣品并直接投入液氮(-196℃)，通過樣品與液氮間的巨大的溫差以及液氮在細管表面的汽化作用驅(qū)動樣品迅速降溫，在復溫環(huán)節(jié)，則將細管直接投入恒溫水浴(約30℃)中，以樣品和溫水間的溫差驅(qū)動樣品快速升溫。在此基礎(chǔ)上，Vajta等人改進了細管的結(jié)構(gòu)，提出了開放式拉長細管法(Open Pulled Straw，OPS)，所得到的降溫速率大大提高。Reubinnoff也應用了這種方法首次成功進行了干細胞玻璃化低溫保存中，后續(xù)研究對這種方法進行了持續(xù)的改進，先后出現(xiàn)了封口式拉長細管法(Closed Pulled Straw，CPS)、微量吸頭法(Micropipette)、Cryotop及Cryotip等方法。

無論結(jié)構(gòu)如何改進，以上方法中承載樣品的各種容器在降溫或復溫過程中都會對樣品與工作液體，如制冷劑(液氮)或復溫劑(溫水)間的換熱起一定的熱阻作用。為了消除容器的影響，另一部分研究中采用了直接接觸的方式，即使得微量樣品與制冷劑或復溫劑直接接觸，實現(xiàn)更高的換熱效率。典型方法包電鏡網(wǎng)法(Electron Mmicroscope Grids，EMG)、冷環(huán)法(Cryoloop)等，分別用精細的銅網(wǎng)及尼龍環(huán)承載微量的細胞。近期研究中還出現(xiàn)一種細胞微滴法(Micro Droplet，MD)，利用微流控芯片生成包裹細胞的微滴，并直接滴入到液氮中降溫。這類方法能獲得較高的降復溫速率，但需要解決細胞的回收及直接接觸帶來的污染問題。

總的來說，雖然玻璃化保存方法研究已經(jīng)取得了一系列成果，但現(xiàn)有降復溫技術(shù)仍不成熟，表現(xiàn)在：

(1)換熱效率有限?，F(xiàn)有的降溫方法從本質(zhì)上來說都是通過樣品在液氮中的池沸騰(Pool boiling)來獲得較高的降溫速率，但池沸騰過程中會產(chǎn)生大量的液氮蒸汽包裹在樣品周圍，對進一步的降溫產(chǎn)生隔熱的作用，因此換熱系數(shù)一般較低；對復溫過程來說，現(xiàn)有復溫方法一般通過樣品與恒溫水浴間的溫差驅(qū)動升溫，換熱效率更低，而且隨著樣品溫度回升、溫差減小，復溫速率迅速衰減，很容易產(chǎn)生反玻璃化等問題；

(2)操作偶然因素影響大。將樣品浸入液氮實現(xiàn)降溫和投入恒溫浴實現(xiàn)復溫的方式，工質(zhì)被動的作用于生物樣品或載體，降復溫速率難以控制，缺乏穩(wěn)定性和一致性，并且無法調(diào)節(jié)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述存在的問題或不足，為了解決玻璃化保存中存在的換熱效率有限、操作偶然因素影響大等問題，本發(fā)明提供了一種面向玻璃化保存的降復溫工質(zhì)驅(qū)動裝置及其控制方法。

具體技術(shù)方案如下：

該面向玻璃化保存的降復溫工質(zhì)驅(qū)動裝置，包括高壓惰性氣體輸入端、壓力調(diào)節(jié)閥、球閥、降復溫工質(zhì)容器、樣品段和儲液槽，通過導管采用串聯(lián)的方式將上述部件依次進行連接，如圖1所示。

本發(fā)明利用高壓惰性氣體作為驅(qū)動，驅(qū)動降復溫容器中的降復溫工質(zhì)高速運動通過樣品段，并作用在樣品或其載體上，從而實現(xiàn)樣品的降復溫。

另外，使用壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)輸入至降復溫工質(zhì)容器的高壓惰性氣體的壓強，使用球閥用于開關(guān)，控制輸入高壓惰性氣體的通斷。并可通過壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)整驅(qū)動壓強的方式實現(xiàn)降復溫速率的調(diào)節(jié)。

所述高壓惰性氣體輸入端通入的高壓惰性氣體為壓強在0.1Mpa及以上的氮氣。

所述導管，其內(nèi)壁為聚四氟乙烯材質(zhì)，能夠耐受‐200℃低溫，外部包裹隔熱材料，隔熱材料材質(zhì)為泡沫。

所述樣品段，存放需要玻璃化保存的樣品或其載體，并設(shè)有入口和出口；設(shè)有降復溫工質(zhì)的流道，降復溫工質(zhì)在樣品段中高速運動過程中作用在樣品上進行高強度換熱。

所述降復溫工質(zhì)，包含液氮和酒精溶液，其中液氮用于降溫，酒精溶液用于復溫。

所述降復溫工質(zhì)容器，儲存降復溫工質(zhì)。降復溫工質(zhì)容器由外部高強度外殼和內(nèi)部的保溫材料組成，并帶有輸入端口和輸出端口，其中輸入端口聯(lián)通內(nèi)部空間的頂層，輸出端口接通內(nèi)部空間的底部，當輸入端口接通高壓惰性氣體時，降復溫工質(zhì)容器中的降復溫工質(zhì)在高壓作用下經(jīng)輸出端口高速輸出。降復溫工質(zhì)容器的輸出端口通過導管與樣品段入口相連。使用時降復溫工質(zhì)不接觸降復溫工質(zhì)容器的輸入端口，淹沒降復溫工質(zhì)容器的輸出端口

所述壓力調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)輸入至降復溫工質(zhì)容器輸入端口的高壓惰性氣體的壓強，壓力調(diào)節(jié)閥壓強調(diào)節(jié)范圍為0.1Mpa至20Mpa。

所述球閥，用于開關(guān)，控制輸入至降復溫工質(zhì)容器的高壓惰性氣體的通斷。

所述儲液槽是一容器，通過導管與樣品段的出口相連，用于收集通過樣品段后的降復溫工質(zhì)。

上述面向玻璃化保存的降復溫工質(zhì)驅(qū)動裝置的降復溫過程如下：

通過高壓惰性氣體驅(qū)動降復溫工質(zhì)容器中的降復溫工質(zhì)，使降復溫工質(zhì)高速運動并作用在樣品段內(nèi)的樣品或其載體上，實現(xiàn)樣品的超高速降復溫。

本發(fā)明利用高壓惰性氣體驅(qū)動技術(shù)，提出了一種面向玻璃化保存的降復溫工質(zhì)驅(qū)動裝置及其控制方法。該方法旨在通過高壓惰性氣體來驅(qū)動降復溫工質(zhì)高速運動并作用在樣品或其載體上，作用方式變被動為主動。從而實現(xiàn)更高的換熱效率以及更好的過程穩(wěn)定性和一致性。此外，通過調(diào)節(jié)高壓氣體的壓強，可改變工質(zhì)的作用速率，從而實現(xiàn)降復溫速率的大范圍調(diào)節(jié)，可適應不同對象保存的需求。解決了傳統(tǒng)玻璃化保存降復溫工質(zhì)被動方式作用于樣品引起的諸多問題。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明以高壓惰性氣體作為驅(qū)動力，驅(qū)動降復溫工質(zhì)來實現(xiàn)樣品的玻璃化保存，變現(xiàn)有的被動的作用方式為主動，大大提高了低溫保存的穩(wěn)定性和一致性。

(2)本發(fā)明通過壓力調(diào)節(jié)閥來調(diào)整驅(qū)動壓強，可實現(xiàn)對樣品降復溫速率的大范圍調(diào)節(jié)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及其控制方法示意圖；

圖2是本發(fā)明的降復溫工質(zhì)容器示意圖；

圖3是實施例的示意圖；

圖4是實施例的降溫測試結(jié)果示意圖；

圖5是實施例的復溫測試結(jié)果示意圖；

附圖標記：1高壓惰性氣體輸入端，2壓力調(diào)節(jié)閥，3球閥，4降復溫工質(zhì)容器，5降復溫工質(zhì)，6樣品段，7儲液槽，8導管，9熱電偶，10數(shù)據(jù)采集卡，11計算機。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。

如圖3所示，一種面向玻璃化保存的降復溫工質(zhì)驅(qū)動裝置與控制方法示意圖，包括1高壓惰性氣體輸入端，2壓力調(diào)節(jié)閥，3球閥，4降復溫工質(zhì)容器，5降復溫工質(zhì)，6樣品段，7儲液槽，8導管，9熱電偶，10數(shù)據(jù)采集卡，11計算機。

本實施例使用的高壓惰性氣體為壓強在0.1Mpa及以上的氮氣。

導管8內(nèi)壁為聚四氟乙烯材質(zhì)，能夠耐受‐200℃低溫，外部包裹隔熱材料，隔熱材料材質(zhì)為泡沫。

樣品段6存放需要玻璃化保存的樣品或其載體，樣品段有入口和出口。

降復溫工質(zhì)5包含液氮和酒精溶液，其中液氮用于降溫，酒精溶液用于復溫。

E、降復溫工質(zhì)容器

使用降復溫工質(zhì)容器4儲存降復溫工質(zhì)5。降復溫工質(zhì)容器4的輸入端口聯(lián)通內(nèi)部空間的頂層，輸出端口接通內(nèi)部空間的底部，當輸入端口接通高壓惰性氣體時，降復溫工質(zhì)容器4中的降復溫工質(zhì)5在高壓作用下經(jīng)輸出端口高速輸出。降復溫工質(zhì)容器的輸出端口通過導管8與樣品段6入口相連。

壓力調(diào)節(jié)閥2調(diào)節(jié)輸入至降復溫工質(zhì)容器4輸入端口的高壓惰性氣體的壓強，壓力調(diào)節(jié)閥壓強調(diào)節(jié)范圍為0.1Mpa至20Mpa。

球閥3控制輸入至降復溫工質(zhì)容器4中高壓惰性氣體的通斷。

儲液槽7通過導管8與樣品段6出口相連。

I、溫度數(shù)據(jù)采集模塊

溫度數(shù)據(jù)采集模塊由熱電偶、數(shù)據(jù)采集卡、計算機組成，熱電偶探頭插入步驟D中樣品內(nèi)，將信號傳輸至數(shù)據(jù)采集卡，并通過計算機處理輸出。

J、降復溫過程

通過高壓惰性氣體驅(qū)動降復溫工質(zhì)容器4中的降復溫工質(zhì)5，使降復溫工質(zhì)5高速運動并作用在樣品段6內(nèi)的樣品或其載體上，實現(xiàn)樣品的超高速降復溫。

步驟如下：

a)按上述步驟完成本發(fā)明裝置的的組裝。

b)往降復溫工質(zhì)容器中添加液氮。

c)調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)閥使輸入至降復溫工質(zhì)容器中的高壓惰性氣體壓強為0.1Mpa(0.2Mpa,0.3Mpa,0.4Mpa,0.5Mpa,0.6Mpa,0.7Mpa)。

d)使用溫度數(shù)據(jù)采集模塊進行溫度數(shù)據(jù)采集。

e)使用球閥控制輸入高壓惰性氣體通路，10秒后，使用球閥控制輸入高壓惰性氣體斷路，完成樣品降溫過程。

f)樣品段從裝置中取出放入液氮罐中保存。

g)取出在液氮罐中保存的樣品段，完成本發(fā)明裝置的組裝。

h)往降復溫工質(zhì)容器中添加37℃85％的酒精溶液。

i)調(diào)節(jié)壓強調(diào)節(jié)裝置使高壓惰性氣體壓強為0.1Mpa(0.2Mpa,0.3Mpa,0.4Mpa,0.5Mpa,0.6Mpa,0.7Mpa)。

j)使用溫度數(shù)據(jù)采集模塊進行溫度數(shù)據(jù)采集。

k)使用球閥控制輸入高壓惰性氣體通路，10秒后，使用球閥控制輸入高壓惰性氣體斷路，完成樣品復溫過程

圖4是樣品在不同壓強下的降溫速率。圖5是樣品在不同壓強下的復溫速率。

由結(jié)果可以看出，對于降溫過程，驅(qū)高壓惰性氣體壓強的增加使得流過樣品段的液氮流速變快，強化了裝置換熱效果。當高壓惰性氣體壓強為0.1Mpa時，樣品的降溫速率降溫速率達30000℃/min，而當高壓惰性氣體壓強提高到0.6Mpa時，降溫速率約為47698℃/min,這說明了本發(fā)明可以通過實驗操作條件的控制實現(xiàn)大范圍調(diào)節(jié)玻璃化保存降溫速率。通過在統(tǒng)一實驗條件下多次重復實驗(次數(shù)≥3)，降溫速率偏差可控制在10％左右，這說明本發(fā)明在玻璃化保存降溫過程中具有穩(wěn)定性和一致性。

對于復溫過程，高壓惰性氣體壓強的增加使得流過微樣品段的酒精流速變快，強化裝置換熱效果。當高壓惰性氣體壓強為0.1Mpa時，復溫速率達16438℃/min；而當高壓惰性氣體壓強提升到0.7Mpa時，復溫速率達到約47965℃/min，這說明本發(fā)明可以通過實驗操作條件的控制實現(xiàn)大范圍調(diào)節(jié)玻璃化保存復溫速率。通過在統(tǒng)一實驗條件下的多次實驗(次數(shù)≥3)，復溫速率偏差可控制在10％左右，這說明本發(fā)明在玻璃化保存復溫過程中具有穩(wěn)定性和一致性。