冰点以下温度保存生物物质的多相定容装置、系统和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供冰点以下温度保存生物物质的多相定容装置、系统和方法，所述系统由一个外腔室、至少一个内腔室和各腔室中流体组成。外腔具有刚性壁，可以传热但不能传递质量，并保持恒定的内部体积(等容系统)，它填充有一种成分的流体。内腔至少部分具有柔性壁或可移动壁，其可传导热量和压力，但不能传递质量。内腔填充有与外腔相同或不同成分的流体。例如，内腔可以是纯水，外腔可以是生理盐水，反之亦然。需保存的生物材料可以在内腔或外腔内。冷冻过程被设计为冷冻优先发生在没有保存生物材料的腔室，使具有刚性壁的腔室和具有柔性壁或可移动壁的腔室中的压力增加，从而使保存生物材料的腔室达到冰点以下温度而不冷冻。

Multiphase compatibility devices, systems and methods for preserving biomass at temperatures below freezing point

【技术实现步骤摘要】
冰点以下温度保存生物物质的多相定容装置、系统和方法
本专利技术涉及在低于冰点温度保存生物材料，以避免结冰的破坏作用和冷冻引起的成分变化，具体为冰点以下温度保存生物物质的多相定容装置、系统和方法。
技术介绍
降低温度是生物物质保存最重要的手段之一，适用于食品工业和医疗应用。这与生命过程是温度依赖的化学反应这一事实有关，其总和是新陈代谢。温度每降低10℃，代谢活动就会减少1.5到2倍；因此，降低温度会促进保存。最理想的是在接近绝对零度时保存生物材料，化学反应会停止并且生物物质可以无限期保存。然而，生物材料主要是生理盐水溶液中的水，其在低温下会冻结。冷冻虽然常用于保存生物物质，但对生物物质会有负作用。冷冻保存生物通常是在等压(恒压)大气条件下进行的。在恒压下，当温度变得低于该压力下的溶液凝固点温度时，可能会发生冻结。在生理盐水中，该温度为-0.57℃。生物材料通常由细胞和包绕着的细胞外空间构成。当生物材料的温度降低到低于冷冻温度时，冰成核通常首先发生在更大的细胞外空间。细胞在细胞内冻结的概率要低得多，因为它们体积较小。此外，即使细胞偶尔结冰，冰也不会在其他细胞中引发结冰。在生物材料的冷冻过程中，细胞外空间中的冰和溶液处于热力学平衡。然而，未冻结的细胞是热力学过冷的。当溶液冻结时，未冻结部分的浓度会增加，因为冰不含任何溶质，所有溶质都聚集在未冻结部分。为了平衡未冻结的细胞内部和细胞外部之间的浓度差，其中冰的形成增加了溶质浓度，水将通过透水细胞膜离开细胞。因此，细胞内溶液将变得高渗。冷冻生物学文献中已知，细胞内高渗溶液的增加会损害细胞。等压冷冻实验表明，随着温度降低到冷冻温度以下，随着溶质浓度的增加和暴露时间的延长，对细胞的伤害增加。生物材料冷冻过程中细胞损伤的另一个机制是机械性的，因为细胞外空间中形成冰晶。俘获细胞的冰晶也会对细胞造成伤害。由于细胞外浓度的增加和冰的形成，这些损伤机制对于医疗需要保存的生物材料以及食物有害，因为食物结构松散，细胞膜会失去水分和重量。早在1948年就已经发现，在生物物质中添加某些化学添加剂，如甘油、二甲基亚砜、乙二醇，可以在一定程度上防止冷冻过程中的化学和机械损伤。这些冷冻保护剂现在经常用于细胞冷冻保存，并为所有成功的冷冻保存方法奠定了基础。然而，使用冷冻保护剂有几个缺点。首先，它们需要在冷冻保存前引入细胞并从细胞中取出；一些防冻剂可能对细胞和生物有毒，并且目前还没有使用冷冻保护剂保护大型器官的方法。除此以外，添加防冻剂不能用于食品保藏，因为它们会改变食品的性质，并会使得食品变得有毒。目前还没有一种方法可以在冷冻保存过程中完美地保护食物免受冰晶和细胞外浓度增加的影响。如前所述，大多数关于生物器官冷冻的研究和应用都是在恒定(等压)系统中进行的。本申请则引入了在恒定体积室(等容室)而不是恒定压力环境(等压冷冻)中冷冻的概念，作为避免冰的机械损伤和减少由于生物物质冷冻过程中浓度增加而导致的化学损伤的方法。设计原理如下：当水在恒定体积的室内结冰时，密度从水到冰的变化会引起压力的增加。这迫使整个由冰和水组成的系统沿着液相线到达液态水、冰I和冰III之间的三重点。图4显示了在等容室中冷冻的过程与在恒压环境(等压)中冷冻的过程相比的路径。表1给出了沿液相线从0℃到-21.985℃的选定数据点，用于沿液相线的压力和温度。它们定义了水系统在定容室中冷冻时遵循的热力学状态的路径。表1：从液体向冰I和冰III相变的热力学性质。相变温度(℃)压力(MPa)体积变化(cm3/g)焓变(kJ/kg)液体-冰I-21.985209.9+0.1313-241液体-冰I-15156+0.1218-262液体-冰I-10110.9+0.1122-285液体-冰I-559.8+0.1016-308液体-冰I00.1+0.09-334用于保存生物材料的典型溶液具有与生物材料相同的组成，这种组合物被称为生理学溶液，主要分为两种，一种是细胞内生理溶液-其中溶液与细胞内成分平衡，另一种是细胞外生理溶液-其中成分与细胞外成分浓度平衡。通常，细胞内和细胞外溶液的区别在于细胞内富含钠，细胞外富含钾。简单生理溶液的例子有：生理盐水溶液(0.9％w/wNaCl水溶液-生物材料的典型)，缓冲生理盐水(用pH缓冲液设计，如磷酸盐，以保持恒定的pH值)。更复杂的市售溶液包括UniversityofWisconsinsolutionorCollinssolution(柯林斯保存溶液或威斯康星大学保存溶液中的)以及许多其他含水的溶液。这些溶液的一个关键因素是它们被设计成与细胞处于渗透平衡，即它们的组成被精确设计成最适合保存。如上文所述，等容室专利技术中的一个重要因素是定容室中的冷冻过程遵循液相线。研究表明，在恒定体积的室内冷冻期间，只有一部分体积冻结。(不同于恒温室，在恒温室中，所有或至少很大一部分水变成冰。)图5给出了等容室处于某一温度时温度和冰质量百分比之间的相关曲线。纯水和盐水有两条曲线。重点需要关注的是，直到冰I、冰III和液态水的三重点，见图3，冰冻区域的范围小于质量的52％。因此，在等容保藏概念的原始描述中提出，如果待保藏的生物质量被限制在未冷冻体积内，它将不会受到冰晶、三点温度和压力的损害。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供冰点以下温度保存生物物质的多相定容装置、系统和方法，其将完全消除等容冷冻期间待保存物质内部浓度的增加，从而完全消除化学损伤，已以解决现有技术存在的问题。具体方案为：一种多相定容装置，包括一外部刚性容器，其壁传递热量并承受所需的压力，还包括至少一个内部弹性容器，其壁传递热量和压力，所述内部弹性容器至少部分具有柔性壁或可移动壁。优选的，所述内部弹性容器独立于所述外部刚性容器单独设置或是通过在所述外部刚性容器内设置至少一个可移动壁或柔性壁形成的部分容器壁与外腔室共用的内部弹性容器。优选的，所述装置还包括用于测量容器中的压力和温度的传感器，以及压力释放的安全元件。优选的，所述外部刚性容器的承压范围为0～350MPa；更优选的，所述外部刚性容器的承压范围为300MPa。优选的，所述外部刚性容器为圆柱形或球形，其长度和厚度根据所要保存的物质和要求的承压范围进行设定。优选的，所述外部刚性容器采用钢或钛或合金制备而成。优选的，所述内部弹性容器为圆柱形或球形。优选的，所述内部弹性容器由弹性橡胶或塑料制成。本专利技术还包括一种应用上述多相定容装置保存生物物质的系统，所述内部弹性容器和外部刚性容器内填充有相同或不同的流体，用于在外部刚性容器或内部弹性容器中保存生物物质。优选的，所述内部弹性容器和外部刚性容器内填充的流体为纯水、生理盐水、缓冲生理盐水、Collins溶液、威斯康星大学溶液以及其他含水溶液的至少一种。更优选的，所述流体中还添加有冷冻保护添加剂，所述冷冻保护剂为甘油、乙二醇、Me2SO、糖、海藻糖或抗冻蛋白。本专利技术还公开一种利用多相定容腔系统实现冰点以下温度保存生物物质的方法，所述方法是将所述多相定容装置的系统置于受控的低温环境中，以实现生物物质保存目的，所述低温环境的温度范围为-180℃～0℃。本专利技术具有的优点和积极效果是：由于采用上述技术方案，本专利技术的保存生物物质的装置引入等容保藏的理念，并利用冰I、冰III和液态水的三本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多相定容装置，其特征在于：包括一外部刚性容器，其壁传递热量并承受所需的压力，还包括至少一个内部弹性容器，其壁传递热量和压力，所述内部弹性容器至少部分具有柔性壁或可移动壁。

【技术特征摘要】
1.一种多相定容装置，其特征在于：包括一外部刚性容器，其壁传递热量并承受所需的压力，还包括至少一个内部弹性容器，其壁传递热量和压力，所述内部弹性容器至少部分具有柔性壁或可移动壁。2.根据权利要求1所述的多相定容装置，其特征在于：所述内部弹性容器独立于所述外部刚性容器单独设置或是通过在所述外部刚性容器内设置至少一个可移动壁或柔性壁形成的部分容器壁与外腔室共用的内部弹性容器。3.根据权利要求1或2所述的多相定容装置，其特征在于：所述装置还包括用于测量容器中的压力和温度的传感器，以及压力释放的安全元件。4.根据权利要求1或2所述的多相定容装置，其特征在于：所述外部刚性容器的承压范围为0～350MPa。5.根据权利要求1或2所述的多相定容装置，其特征在于：所述外部刚性容器为圆柱形或球形，其长度和厚度根据所要保存的物质和要求的承压范围进行设定；所述外部刚性容器采用钢或钛或合金制备而成。6.根据权利要求1或2所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：弗兰克·鲁格纳尼，赵国江，
申请(专利权)人：天津美电医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：天津,12