[发明专利]一种超高速降复温方法及装置

说明书

一种超高速降复温方法及装置，用于细胞、组织等生物样品的玻璃化保存。装置包括芯片组件和外盒，芯片组件置于外盒中。芯片组件为扁平中空结构，内部为样品微腔，用于盛放待保存的生物样品；芯片组件上面积最大的两侧外表面刻有微通道或微柱阵列，用于热交换。外盒同为扁平中空结构，内部为芯片腔用于盛放芯片组件；芯片腔一侧通过微孔阵列、稳压腔连通工质入口，另一侧连通工质出口；微孔阵列正对于芯片组件表面的微通道或微柱阵列，且二者之间存在一射流间隙。本发明所述工质注入后，通过微孔阵列喷射在芯片组件上，在微射流和微通道的双重作用下，形成超强表面换热效应，实现内部样品的超高速降复温。

技术领域

本发明属于生物医学技术领域，具体涉及一种生物材料玻璃化低温保存的超高速降复温方法及装置。

背景技术

低温保存是目前众多细胞、组织等生物材料长期保存的唯一有效手段。生物材料虽然可以在超低温下长期安全保存，但在降温(由常温至超低温)和复温(由超低温至常温)环节极有可能受到严重的损伤，即所谓的低温损伤。关于低温损伤的机理，学界普遍认同细胞内外冰晶生长造成的细胞结构损伤和溶质浓度变化等是低温损伤的主要原因。

“玻璃化保存方法”是近年来提出的一种理想的低温保存方法，是指通过促使生物材料在降温过程中发生玻璃化转变(即形成非晶体的玻璃态)，避免细胞内外冰晶生长导致的低温损伤。但生物材料的玻璃化转变需要超高的降温速率，仅当降温速率大于特定的临界降温速率时生物材料才能发生玻璃化转变；不仅如此，在复温过程中复温速率也必须高于临界复温速率才能避免已经玻璃化的溶液发生重结晶现象。

为了获得玻璃化转变所需的超高降复温速率，现有玻璃化保存方法通常使用麦管(French mini-Straw,0.25ml)承载微量样品并直接投入液氮(-196℃)，通过样品与液氮间的巨大的温差以及液氮在细管表面的汽化作用驱动样品迅速降温；在复温环节，则将细管直接投入恒温水浴(30～40℃)中，以样品和温水间的温差驱动样品快速升温，在此基础上，Vajta等人改进了细管的结构，提出了开放式拉长细管法(Open Pulled Straw,OPS)，所得到的降温速率大大提高。Reubinnoff也应用了这种方法首次成功进行了干细胞玻璃化低温保存，后续研究对这种方法进行了持续的改进，先后出现了封口式拉长细管法(ClosedPulled Straw,CPS)、微吸头法(Micropipette)、Cryotop及Cryotip等方法。这些玻璃化低温保存方法和装置已经在一些领域获得了成功应用，但仍存在较大不足，包括以下几方面。

1)换热效率有限。现有的降温方法从本质上来说都是通过样品在液氮中的池沸腾(Pool boiling)来获得较高的降温速率，但池沸腾过程中会产生大量的液氮蒸汽包裹在样品周围，对进一步的降温产生隔热的作用，因此换热效率较低；现有复温方法一般通过样品与复温液体间的温差驱动升温，换热效率更低，而且随着样品温度回升、温差减小，复温速率迅速衰减，很容易产生反玻璃化等问题。

2)对样品体积限制严重。现有方法中样品呈半球体或圆柱体，随着样品体积的增加，样品内部的传热路径迅速增加，所能获得的最大降温速率也大大降低，而且样品内部降温均匀性也不能保证。

3)依赖手工操作，处理过程难以保证标准化和一致性，处理结果也严重依赖操作人员经验和技术。

发明内容

本发明的目的在于克服现有玻璃化低温保存技术中的问题，提供一种能够实现快速降温和复温的方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：