用于生物材料控速冷冻的方法和系统技术方案

本发明专利技术提供了一种控制速率冷冻生物材料的方法和系统。本发明专利技术的系统和方法通过在冷却单元内设置的多个小瓶附近，采用致冷剂均匀层流的强力对流冷却，而具有快速冷却单元内的小瓶或其他容器内生物材料的能力。根据作用时间，通过精确控制和调节引入系统的致冷剂温度，实现快速冷却生物材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术大体上涉及一种低温储藏过程，更特别地，涉及一种用于提供生物材料控 速冷冻的方法和系统，其将低温储藏过程中由于细胞间冰形成和溶质作用所造成的细胞损 伤最小化。
技术介绍
低温储藏是一种用于在非常低的温度下稳定生物材料的过程。以前尝试冷冻生物 材料，例如活细胞，通常导致细胞生存能力的显著丧失，并且在一些情况下，多达80%甚至 更多的丧失细胞活性和生存能力(viability)。在一些情况下，低温储藏期间的细胞损失通常作为冷冻步骤或再结晶期间活细胞 内细胞间冰形成的结果而出现。快速冷却通常导致更多的细胞间冰形成，这是因为在同快 速降温速率相关的短时间范围期间，水分子通常没有充分地移出细胞而导致。细胞间冰形 成也可在重结晶期间出现，重结晶出现在升温或融化循环期间。如果太多的水留在活细胞 内，在快速冷却阶段最初冰晶的形成和随后在升温期间的再结晶会导致损伤出现，并且这 种损伤通常是致命的。另一方面，在低温储藏过程中缓慢冷却特征(profile)通常导致溶质作用的增 加，其中过多的水移出细胞。由于渗透压不平衡的加剧，过多的水移出细胞会对细胞产生不 良影响。因此，由于渗透压平衡导致的细胞损伤，对细胞生存是有害的，并且最终导致细胞 损伤和影响细胞生存能力。现在的低温冷藏技术包括使用基于传导的低温冷却设备，例如冷架子(cold shelf)、或冷冻干燥机型冷冻器单元(freezer unit)、或者基于对流的低温冷却设备例如 控速冷冻器和冰冻冷却器单元。但是，这样的设备只适合于相对小的容量，不适用于生物材 料，例如治疗细胞系的工业规模的生产和保存。例如，最大的商业上可获得的适于生物材料 使用的控率冷冻器只能容纳大约8000个紧密填塞(packed)的小瓶。这样现有的控速冷 冻器也有冷却小瓶与小瓶之间不均勻性的问题，部分是由于冷冻剂在冷冻器内的不均勻流 动，并且需要冷冻器内的小瓶紧密填塞造成的。很多传统的冷冻系统采用内部鼓风机(fans)向单元周围分配致冷剂，并且通过 对流递送制冷效果到小瓶。这些基于对流的冷却或冷冻系统不能达到温度均勻，由于小瓶 通常位于离内部鼓风机不同距离的地方，或者填塞在其他小瓶或托架的阴影处。暴露于致 冷剂的高速紊流的生物材料小瓶通常以不同速率冷却且通常比处在距离鼓风机更远位置 小瓶的冷却速率要快得多。还有一些现有的冷冻干燥机类型的控速冷冻器，可处理大容量的小瓶，但通常依 赖冷冻干燥机单元内冷架子与小瓶之间的热传导。但是，由于多数玻璃小瓶底部是凹面的， 玻璃小瓶的底部不可能具有均勻的传导表面区域。因此，对于这类设备来说，冷冻过程中小 瓶之间的温度变化是最大的缺点。此外，由于小瓶只有非常小的导体表面与冷架子接触，冷 却速率可能非常慢。以前减轻细胞活力和生存能力损失的尝试包括使用防冻添加剂，例如DSMO和甘 油。已经证实在低温储藏过程中使用这样的防冻剂具有减少在冷冻和随后的融化循环过程 中细胞损失的作用。但是，很多低温防护剂，例如DSMO对人类细胞有毒性，或者不适合用于 全细胞治疗。不利的是，低温防护剂也一定程度上增加了细胞产品和储藏过程的复杂性程 度和相关成本。同时，仅仅低温防护剂，不能根除细胞活性和生存能力损失的问题。需要提供一种方法和系统，进一步地将在采用或不使用防冻剂的低温储藏过程中 由于冰形成或者溶质作用造成的细胞损伤进行降低或者将最小化。此外，所述系统和方法 应当是有效且容易调节(readilyscaleable)以处理工业规模生产和保存生物材料，且为 这些生物材料提供快速、均勻的冷却。
技术实现思路
本专利技术的特征在于一种用于生物材料的低温冷藏器或者冷冻系统，包括致冷剂 源、入口环路(intake circuit)、排出环路(exhaust circuit)和控制系统，其中所述入口 环路与致冷剂源连接并适用于提供致冷剂冷气体的均勻流动到冷却室。冷却室包括入口压 力通风(intake plenum)，排出歧管(exhaust manifold)，和两个或更多平行的多孔表面， 其限定了在相邻平行表面之间的冷却区域，其中平行多孔表面的一个设置于临近入口压力 通风且与入口压力通风形成流体交流，和另一平行多孔表面设置于临近排出歧管处，平行 多孔表面和冷却区域适用于保持复数个生物材料容器。冷冻或冷藏系统的排出环路适用于 去除来自冷却室排出歧管的制冷剂气体，而控制系统适用于调节入口环路内致冷剂源和排 出环路中任何致冷剂气体的流动速率，以根据生物材料所需的冷却速率和冷却室内的测量 温度，调节递送到冷却室的致冷剂冷气体的温度。采用这种方法，温度调节后的低温冷气体 的均勻单向层流被递送到平行多孔表面和复数个容器中的每个之间的冷却区域，以均勻地 冷却生物材料。本专利技术的特征可以在于一种控速冷冻或冷藏生物材料的方法，包括如下步骤(i) 在由冷却室内的平行多孔表面之间的区域所限定的冷却区域内设置复数个生物材料容器;[11]将液态致冷剂与较暖气体(warmergas)混合，以产生选定温度特征的低温冷气体， 所述温度特征与期望的容器内生物材料的冷却速率相对应；(iii)递送温度调节的低温冷 气体的单向层流，通过多孔表面的一个至平行多孔表面和复数个容器的每个之间的冷却区 域，以均勻地冷却生物材料；并且(iv)迅速地通过另一平行多孔表面从冷却室排出气体， 以防止冷却区域内气体的再循环。附图说明本专利技术上述的和其他的方面、特征和优点将会通过以下更详细的、结合以下附图 的描述而更加清楚，其中图1为一个实施方式的示意图，其适用于本系统和方法的均勻流动低温冷藏单 元；图2为图1所示均勻流动低温冷藏单元的剖面部分细节图，描述生物材料小瓶临 近的致冷剂气体的均勻流动特征；图3为单批均勻流动低温冷藏器单元的实施方式的图片，具有本专利技术系统和方法的特征和优点；图4为多批或商业商业规模均勻流动冷却室的实施方式的示意图，具有本专利技术系 统和方法的特征和优点；图5为另一实施方式的连续型均勻流动冷却单元的示意图，具有本专利技术系统和方 法的特征和优点；图6到图8描述在本系统和方法的最初实验过程中观察到的，致冷剂气体的选定 温度特征和与生物材料冷却速率的对应关系；图9为多批或商业规模均勻流动冷却系统，更详细地描述了本过程和气体入口、 排出和再循环环路方面更详细的图像。具体实施例方式生物材料低温储藏通常包括生物样品从40°C或者更高快速冷却到大约-100°C 或者更低的水平。所限定的温度、冷却速率、和材料温度作为时间函数表达的冷却特征 (cooling profile)，高度取决于要冷冻的具体生物材料。大多数生物材料的低温储藏，冷 冻过程必须精确控制。和小瓶之间及批次之间，温度、冷却速率以及冷却特征的一致性在生 产过程中是非常重要的。本专利技术公开的方法和系统代表了目前生物材料低温储藏过程的进步。本专利技术所公 开的系统和方法具有快速冷却冷却单元内小瓶或其他容器内所包含生物材料的能力，主要 通过采用在冷却单元内、邻近复数个小瓶的每个的、层状均勻流动的致冷剂强对流冷却。此 外，本系统和方法可以提供生物材料的快速冷却，覆盖宽范围的冷却速率，并且也可将生物 材料的温度保持在任何指定的温度。更特别地，作为时间的函数，通过精确控制和调节被引入系统的致冷剂温度来达 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于生物材料的低温冷藏或冷冻系统，包括：　　致冷剂源；　　入口环路，所述入口环路与所述致冷剂源相连接，并适用于提供致冷剂冷气体向冷却室的均匀流动；　　冷却室，所述冷却室包括入口压力通风、排出歧管和两个或更多个平行的多孔表面，所述多孔表面限定了在相邻平行表面之间的冷却区域，其中所述平行多孔表面的一个设置于临近所述入口压力通风且与所述入口压力通风流体交流，另一所述平行多孔表面设置于临近所述排出歧管，所述平行多孔表面和冷却区域适用于保持复数个生物材料容器；　　排出环路，所述排出环路适用于去除来自所述冷却室排出歧管的致冷剂气体；以及　　控制系统，所述控制系统适用于调节所述入口环路内所述致冷剂源和所述排出环路中任何致冷剂气体的流动速率，以响应期望的生物材料冷却速率和所述冷却室内的测量温度，调节递送到所述冷却室的致冷剂冷气体的温度；　　其中，温度调节后的致冷剂冷气体的均匀单向层流被递送到所述平行多孔表面和所述复数个容器的每个之间的冷却区域，以均匀地冷却所述生物材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2007-11-9 60/9868141.一种用于生物材料的低温冷藏或冷冻系统，包括致冷剂源；入口环路，所述入口环路与所述致冷剂源相连接，并适用于提供致冷剂冷气体向冷却 室的均勻流动；冷却室，所述冷却室包括入口压力通风、排出歧管和两个或更多个平行的多孔表面，所 述多孔表面限定了在相邻平行表面之间的冷却区域，其中所述平行多孔表面的一个设置于 临近所述入口压力通风且与所述入口压力通风流体交流，另一所述平行多孔表面设置于临 近所述排出歧管，所述平行多孔表面和冷却区域适用于保持复数个生物材料容器；排出环路，所述排出环路适用于去除来自所述冷却室排出歧管的致冷剂气体；以及控制系统，所述控制系统适用于调节所述入口环路内所述致冷剂源和所述排出环路 中任何致冷剂气体的流动速率，以响应期望的生物材料冷却速率和所述冷却室内的测量温 度，调节递送到所述冷却室的致冷剂冷气体的温度；其中，温度调节后的致冷剂冷气体的均勻单向层流被递送到所述平行多孔表面和所述 复数个容器的每个之间的冷却区域，以均勻地冷却所述生物材料。2.如权利要求1所述的系统，其中所述致冷剂源进一步包括液态致冷剂和较暖气体。3.如权利要求2所述的系统，其中所述入口环路进一步包括管路内混合器，用于将所 述液态致冷剂和较暖气体混合以制成所述低温冷气体。...

【专利技术属性】
技术研发人员：A程，
申请(专利权)人：普莱克斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]