[发明专利]生物材料低温保存微通道芯片及装置

说明书

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低温保存微通道芯片及装置。

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，在国民经济的众多领域都正发挥着不可替代的作用。在临床医学领域，大规模生物材料的长期低温保存，是解决细胞、组织来源问题的最有效途径之一，也是众多现代诊疗技术的基础；在科学研究领域，通过应用低温保存方法，一方面可以为科学研究持续提供各种细胞资源，另一方面也最大可能地避免了在常温或者冷藏条件下细胞过快失效而引起的资源浪费；此外，建立濒危珍稀动植物的生殖细胞或种子的低温保存库，也是延续物种、维持生物多样性的有效方法。

生物材料虽然可以在超低温（如-196℃）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，低温保存学界尚无定论，但目前普遍认同细胞内外冰晶生长造成的细胞结构损伤等方面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。所谓“玻璃化”是一个物理学上的概念，是指当水或溶液快速降温到极低温度下形成一种具有高粘度的介于液态和固态之间的非晶体态。通过促使生物材料在降温过程中发生玻璃化转变，能有效避免细胞内外冰晶生长等因素导致的低温损伤。但生物材料的玻璃化转变需要超高的降温、复温速率。在降温过程中，仅有当降温速率大于细胞内外溶液的临界降温速率时，生物材料才能顺利发生玻璃化转变；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，标准方法中使用细管(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（约30℃）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中，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(Closed Pulled Straw，CPS)、微量吸头法(Micropipette)、Cryotop及Cryotip等方法。

无论结构如何改进，以上方法中承载样品的各种容器在降温或复温过程中都会对样品与工作液体，如制冷剂（液氮）或复温剂（温水）间的换热起一定的热阻作用。为了消除容器的影响，另一部分研究中采用了直接接触的方式，即使得微量样品与制冷剂或复温剂直接接触，实现更高的换热效率。典型方法包电镜网法(Electron Mmicroscope Grids，EMG)、冷环法(Cryoloop)等，分别用精细的铜网及尼龙环承载微量的细胞。近期研究中还出现一种细胞微滴法(Micro Droplet，MD)，利用微流控芯片生成包裹细胞的微滴，并直接滴入到液氮中降温。这类方法能获得较高的降复温速率，但需要解决细胞的回收及直接接触带来的污染问题。

总的来说，虽然玻璃化低温保存方法研究已经取得了一系列成果，但现有降、复温技术仍不成熟，表现在：

I.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，因此换热系数一般小于103W/m2.K；对复温过程来说，现有复温方法一般通过样品与恒温水浴间的温差驱动升温，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；

II.对样品体积有限制。传统方法中样品呈半球体或圆柱体，随着样品体积的增加，到达样品内部的传热距离迅速增加，所能获得的最大降温速率也大大降低，样品内部降温均匀性也不能保证，因此现有方法一般通过减小样品体积来获得必需的降、复温速率，但样品的体积也不能无限制缩小，而且过小的样品体积不仅增加操作成本和难度，也失去了临床实用性。

III.系统具有开放性，难以避免对样品的污染。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的上述问题，提供一种能够实现快速降温和复温的生物材料低温保存微通道芯片及装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：