[發明專利]冰點以下溫度保存生物物質的多相定容裝置、系統和方法

在審

• 申請號: 201910138258.0
• 申請日: 2019-02-25
• 公開（公告）號: CN109964921A
• 公開（公告）日: 2019-07-05
• 發明（設計）人: 弗蘭克·魯格納尼;趙國江
• 申請（專利權）人: 天津美電醫療科技有限公司
• 主分類號: A01N1/02
• 分類號: A01N1/02
• 代理公司: 天津企興智財知識產權代理有限公司 12226
• 代理人: 馬倩倩

本發明提供冰點以下溫度保存生物物質的多相定容裝置、系統和方法，所述系統由一個外腔室、至少一個內腔室和各腔室中流體組成。外腔具有剛性壁，可以傳熱但不能傳遞質量，并保持恒定的內部體積(等容系統)，它填充有一種成分的流體。內腔至少部分具有柔性壁或可移動壁，其可傳導熱量和壓力，但不能傳遞質量。內腔填充有與外腔相同或不同成分的流體。例如，內腔可以是純水，外腔可以是生理鹽水，反之亦然。需保存的生物材料可以在內腔或外腔內。冷凍過程被設計為冷凍優先發生在沒有保存生物材料的腔室，使具有剛性壁的腔室和具有柔性壁或可移動壁的腔室中的壓力增加，從而使保存生物材料的腔室達到冰點以下溫度而不冷凍。

技術領域

本發明涉及在低于冰點溫度保存生物材料，以避免結冰的破壞作用和冷 凍引起的成分變化，具體為冰點以下溫度保存生物物質的多相定容裝置、系 統和方法。

背景技術

降低溫度是生物物質保存最重要的手段之一，適用于食品工業和醫療應 用。這與生命過程是溫度依賴的化學反應這一事實有關，其總和是新陳代謝。 溫度每降低10℃，代謝活動就會減少1.5到2倍；因此，降低溫度會促進保 存。最理想的是在接近絕對零度時保存生物材料，化學反應會停止并且生物 物質可以無限期保存。然而，生物材料主要是生理鹽水溶液中的水，其在低 溫下會凍結。冷凍雖然常用于保存生物物質，但對生物物質會有負作用。

冷凍保存生物通常是在等壓(恒壓)大氣條件下進行的。在恒壓下，當 溫度變得低于該壓力下的溶液凝固點溫度時，可能會發生凍結。在生理鹽水 中，該溫度為-0.57℃。生物材料通常由細胞和包繞著的細胞外空間構成。當 生物材料的溫度降低到低于冷凍溫度時，冰成核通常首先發生在更大的細胞 外空間。細胞在細胞內凍結的概率要低得多，因為它們體積較小。此外，即 使細胞偶爾結冰，冰也不會在其他細胞中引發結冰。在生物材料的冷凍過程 中，細胞外空間中的冰和溶液處于熱力學平衡。然而，未凍結的細胞是熱力 學過冷的。當溶液凍結時，未凍結部分的濃度會增加，因為冰不含任何溶質， 所有溶質都聚集在未凍結部分。

為了平衡未凍結的細胞內部和細胞外部之間的濃度差，其中冰的形成增 加了溶質濃度，水將通過透水細胞膜離開細胞。因此，細胞內溶液將變得高 滲。冷凍生物學文獻中已知，細胞內高滲溶液的增加會損害細胞。等壓冷凍 實驗表明，隨著溫度降低到冷凍溫度以下，隨著溶質濃度的增加和暴露時間 的延長，對細胞的傷害增加。生物材料冷凍過程中細胞損傷的另一個機制是 機械性的，因為細胞外空間中形成冰晶。俘獲細胞的冰晶也會對細胞造成傷 害。由于細胞外濃度的增加和冰的形成，這些損傷機制對于醫療需要保存的生物材料以及食物有害，因為食物結構松散，細胞膜會失去水分和重量。早 在1948年就已經發現，在生物物質中添加某些化學添加劑，如甘油、二甲 基亞砜、乙二醇，可以在一定程度上防止冷凍過程中的化學和機械損傷。這 些冷凍保護劑現在經常用于細胞冷凍保存，并為所有成功的冷凍保存方法奠 定了基礎。然而，使用冷凍保護劑有幾個缺點。首先，它們需要在冷凍保存 前引入細胞并從細胞中取出；一些防凍劑可能對細胞和生物有毒，并且目前還沒有使用冷凍保護劑保護大型器官的方法。除此以外，添加防凍劑不能用 于食品保藏，因為它們會改變食品的性質，并會使得食品變得有毒。目前還 沒有一種方法可以在冷凍保存過程中完美地保護食物免受冰晶和細胞外濃 度增加的影響。

如前所述，大多數關于生物器官冷凍的研究和應用都是在恒定(等壓) 系統中進行的。本申請則引入了在恒定體積室(等容室)而不是恒定壓力環 境(等壓冷凍)中冷凍的概念，作為避免冰的機械損傷和減少由于生物物質 冷凍過程中濃度增加而導致的化學損傷的方法。

設計原理如下：當水在恒定體積的室內結冰時，密度從水到冰的變化會引起壓 力的增加。這迫使整個由冰和水組成的系統沿著液相線到達液態水、冰I和冰III之 間的三重點。圖4顯示了在等容室中冷凍的過程與在恒壓環境(等壓)中冷凍的過程 相比的路徑。表1給出了沿液相線從0℃到-21.985℃的選定數據點，用于沿液相線 的壓力和溫度。它們定義了水系統在定容室中冷凍時遵循的熱力學狀態的路徑。

表1：從液體向冰I和冰III相變的熱力學性質。