涉及冷冻生物样品的至少部分的设备和方法与流程

背景技术：

冷冻技术可用于保存生物材料。存在不同的方式来冷冻生物材料，以便保存它们。例如，冷冻干燥(冻干)是如下的过程：生物样品被冷冻，并且在冷冻步骤之后，从样品中移除水，使得样品以干燥状态存储。低温保存是冷冻生物样品的另一种方法。低温保存是如下的过程：生物材料被冷冻，并且然后以冷冻状态存储。低温保存是用于维持生物样品的长期活力以用于医学、生物技术和兽医学中的后续应用的技术。可为重要的是，生物材料被保存成使得生物材料的损坏或降解最小化。例如，人类卵母细胞或受精胚胎可作为体外受精(ivf)过程的部分而被低温保存，其中维持细胞活力是重要的考虑因素。

低温保存涉及将样品冷却至典型地为-196摄氏度(℃)(液氮的沸点)的低温，并且可能将样品长时间维持在该低温下。通过将生物样品冷却至-196℃，原本将使样品降解的化学和/或酶反应的动力学被减缓到使得样品不再降解的程度。因此，生物样品可长时间存储，并且然后根据需要恢复到环境温度。

低温保存在细胞治疗和基因治疗(尤其是免疫治疗)中特别有用。冷链(例如温度受控的供应链，其包括涉及低温保存的生物样品的生产、配送和存储的一系列阶段)可在这些治疗的有效临床递送中使用。在这样的冷链期间，可冷冻包括从患者提取的细胞的初始生物样品，以允许运输到所谓的制造中心。在制造中心处，细胞可被解冻并且例如通过培养细胞以增加细胞数量和/或通过处理细胞来制造。然后，制造的细胞可被低温保存以用于运输到诸如医院的临床递送中心，在临床递送中心处，制造的细胞可被解冻并递送给患者。

由解冻之后的细胞存活和/或功能的可能性指示的细胞活力可取决于冷冻过程的多种因素，其中的一些因素可能是高度可变的和/或难以预测。在冷冻过程期间改善细胞活力是合乎期望的。

附图说明

图1示出了温度值和对应时间值的示例数据系列的表示；

图2至图5示意性地示出了示例装置；

图6和图7示意性地示出了从第一视角和第二视角观察的示例装置；

图8示意性地示出了另一个示例装置；

图9至图11示意性地示出了从第一视角、第二视角和第三视角观察的示例装置；

图12至图14示意性地示出了从第一视角、第二视角和第三视角观察的另一个示例装置；

图15至图19示意性地示出了示例冷却设备；

图20示意性地示出了示例贮藏器(receptacle)；

图21是涉及方法的示例的流程图；以及

图22示出了温度值和对应时间值的示例数据系列的表示。

具体实施方式

与已知技术相比，本文中所呈现的设备和方法改善了对生物样品的冷冻期间的冰形成的控制。在示例中，提供了一种包括基部和贮藏器保持器的装置，贮藏器保持器包括至少两个部段，各个部段构造成以不同的热提取速率从样品的不同区域提取热能。不同的热提取速率允许在冷冻过程期间在样品内建立温度梯度，使得在样品的一个区域中发生冰成核，而在样品的第二区域中没有冰成核。照此，可减小样品中的过度冷却的程度，由此提高细胞活力。本文中的示例中所呈现的设备和方法使得能够以可重复且灵活的方式控制冰形成。根据本文中的示例中所呈现的设备和方法来控制冰形成促进改善对冷冻过程的控制。

根据设备和方法的某些示例，将在以下描述中描述具体细节，以解释和扩展设备和方法的具体特征。

冰形成是生物样品的冷冻中的重要考虑因素。当样品中的温度下降到低于样品的平衡熔点时，冰成核可能发生(围绕所谓的冰核颗粒)，随后是在整个样品中的冰晶生长。随着冰形成继续进行，诸如细胞的生物材料可集中在冰晶之间的溶质密集通道中。然后，这样的通道可例如(如)通过玻璃化而凝固。

在冷冻相对小的样品(例如存储在低温小瓶中的样品)期间，如果均匀冷却，则整个样品可过度冷却至显著低于样品的平衡熔点的温度。过度冷却或过冷或低温冷却是指在流体不凝固的情况下将流体的温度降低超过其熔点的过程。一些样品可过度冷却至低于样品的熔点超过10℃。过度冷却的程度可随样品体积变化。特别地，较小的体积可比较大的体积过度冷却到更大的程度。当冰在过度冷却的样品中成核时，由于从结晶潜热释放的能量，样品中的温度可升高到接近样品的熔点。然后温度可快速降低，例如以比期望速率快得多的速率降低，这可影响解冻时的细胞活力。解冻之后的活力和/或功能可取决于经历冷冻/解冻过程的细胞的类型。

图1示出了在对样品执行的冷冻操作期间样品中的温度值对时间的示例数据系列的表示100。表示100中的三条线中的各条对应于由放置在样品中的不同位置处的热电偶获得的测量温度数据。在图1的示例中，整个样品过度冷却到-15℃和-10℃之间，直到在大致1500秒(s)处发生冰成核，从而引起整个样品的温度快速跃变。在图1的示例中，样品不包含生物细胞，然而溶液中细胞的存在不影响在这样的溶液中的成核行为。

在过度冷却的样品的一个或多个区域中的冰成核之后，冰晶的树枝状网络与冷冻浓缩材料的连续相共存，溶质和细胞可分布在该冷冻浓缩材料中。冰成核可为自发的。自发成核可为随机事件，并且因此本质上难以控制。例如，冰成核自发发生的温度可在不同样品之间变化。成核时形成的冰网络的结构和对应的冷冻浓缩基质可取决于成核发生的温度。

备选地，冰成核可在被称为促进冰成核的过程中被诱发或触发。促进冰成核或异相冰成核可在比同相成核发生的温度更高的温度(例如更接近于样品的熔点)下发生。促进冰成核可涉及成核触发因子的使用。成核触发因子的示例包括：在低温容器的外侧上产生冷点；向样品中引入化学冰成核催化剂；以及施加超声波。然而，诱发冰成核的已知方法可能具有缺点。例如，已知的方法可能需要用户干预，使用非生物相容的化学成核剂，可能不能够以标准化的方式重复，或者甚至可能实施起来太昂贵和/或复杂。

本文中的示例中所呈现的装置、贮藏器和方法允许在冷冻操作期间以可重复且灵活的方式控制冰形成。渐进凝固(其可另外被称为定向凝固)用于控制冰形成和减小样品的过度冷却程度。渐进凝固是指使样品典型地沿着轴线渐进地凝固的过程。例如，凝固可在样品的一个区域中开始，并沿着轴线通过样品朝向样品的第二区域进行。在渐进凝固中，冰成核可受限于凝固开始的样品区域，例如第一区域。渐进凝固可通过以下方式来实施：在样品内建立温度梯度，例如在较冷的第一区域和较热的第二区域之间建立温度梯度，并且允许样品沿着温度梯度的轴线从较冷区域到较热区域渐进地凝固。减少过度冷却可增加在样品解冻之后细胞存活的可能性，并且以标准化的方式控制冰成核的发生率和/或位置可允许减小冷冻程序的随机变异性。

本文中在示例中提供了一种用于在冷冻贮藏器中的生物样品的至少部分中使用的装置。装置包括基部和贮藏器保持器。基部和贮藏器保持器可为一体形成的，或者可为单独的主体。贮藏器保持器构造成保持一个或多个贮藏器、容器、低温容器等。基部构造成由冷却器装置冷却。冷却器装置可为诸如斯特林低温冷却器的低温冷却器的部分，然而下文描述了可使用的冷却器装置的其它示例。装置的基部可能够由冷却表面接触。这样的冷却表面可为散热器的部分。在对样品执行的冷却操作期间，散热器可从样品吸收或提取热能。照此，装置的基部可经由冷却表面通过传导来冷却。

贮藏器保持器包括第一部段，该第一部段构造成在使用冷却器装置来冷却基部期间在由贮藏器保持器保持贮藏器的情况下以第一热提取速率从贮藏器的第一部分提取热能。照此，可经由贮藏器保持器的第一部段从样品的第一区域提取热能，样品的第一区域与贮藏器的第一部分接触。在示例中，贮藏器的第一部分放置成与贮藏器保持器的第一部段传导接触，以允许经由贮藏器保持器的第一部段提取热能。在示例中，第一部段构造成至少部分地环绕贮藏器的第一部分。

贮藏器保持器还包括第二部段，该第二部段构造成使得在使用冷却器装置来冷却基部期间在由贮藏器保持器保持贮藏器的情况下，经由第二部段从贮藏器的第二部分进行的热能提取的第二热提取速率小于第一热提取速率。照此，样品的第二区域可经由贮藏器保持器的第二部段以比样品的第一区域经由贮藏器保持器的第一部段损失热的速率更低的速率损失热能，样品的第二区域与贮藏器的第二部分接触。在一些示例中，贮藏器的第二部分放置成与贮藏器保持器的第二部段传导接触。在其它示例中，贮藏器的第二部分未放置成与贮藏器保持器的第二部段传导接触。例如，贮藏器的第二部分可相对于贮藏器保持器的第二部段间隔开。在示例中，第二部段构造成至少部分地环绕贮藏器的第二部分。

在一些示例中，贮藏器保持器的第一部段比贮藏器保持器的第二部段更接近于基部。换句话说，与第一部段相比，第二部段可距基部更远。因此，装置可构造成在更接近于装置的基部的位置以更高的速率从样品提取热，并且在距装置的基部更远的位置以更低的速率从样品提取热。

在一些示例中，贮藏器保持器的第二部段构造成以第二热提取速率从贮藏器的第二部分提取热能。换句话说，贮藏器保持器的第二部段可从贮藏器的第二部分主动提取热。在一些情况下，贮藏器保持器的第二部段构造成减少、抑制或防止来自贮藏器的第二部分的热损失。

在一些示例中，贮藏器保持器的第一部段包括具有热流特性的第一值的第一材料，并且贮藏器保持器的第二部段包括具有热流特性的不同的第二值的第二材料。热流特性可被认为是热传递特性、热提取特性、冷却速率特性等。在一些示例中，给定的贮藏器保持器部段的热流特性可被认为是给定的贮藏器保持器部段所包括的材料的特性或参数，其影响从贮藏器的部分到给定的贮藏器保持器部段的热能流。给定的贮藏器保持器部段的热流特性可确定经由该给定的贮藏器保持器部段从贮藏器提取热的速率。

第一热提取速率和第二热提取速率之间的差可至少足以在贮藏器中的样品内建立温度梯度，使得在使用冷却器装置的冷冻操作期间，冰成核发生在样品的第一区域中，而在样品的第二区域中没有冰成核。在一些示例中，第一热提取速率和第二热提取速率基于样品内的期望温度梯度来确定和/或构造，其中期望温度梯度将样品中的冰成核限制于样品的第一区域和/或防止样品的第二区域中的冰成核。温度梯度可具有基本上垂直于装置的基部的轴线。

在一些示例中，第一热提取速率和第二热提取速率之间的差使得对于具有5毫升(ml)的体积的样品来说，在基部的冷却期间，样品的与贮藏器的第一部分接触的第一区域和样品的与贮藏器的第二部分接触的第二区域之间的温度差至少为15℃。

在样品的第一区域中诱发冰成核并防止样品的第二区域中的冰成核可减少生物材料(例如细胞)暴露于与成核相关联的突然热改变。例如，仅第一区域中的细胞可暴露于这样的热改变。因此，与允许冰成核在整个样品中发生的情况相比，样品中的细胞活力可提高。

此外，第一区域中的成核可在没有用户干预或单独的人工成核步骤的情况下被诱发，用户干预或单独的人工成核步骤可涉及例如利用冷镊子来触摸贮藏器的外表面以在外表面上产生冷点。因此，冷冻过程的可重复性可得到增强。在本文中所描述的示例中，冰成核的诱发可作为冷却过程的部分由贮藏器保持器本身执行(例如，通过在贮藏器保持器的至少部段与贮藏器接触的同时冷却贮藏器保持器)。因此，贮藏器保持器可执行样品的冷却和冰成核的触发两者，而不需要单独的成核触发手段。照此，可能不需要向样品中添加化学催化剂来诱发成核，其中这样的化学催化剂可能不是生物相容的和/或可能需要在解冻之后洗涤生物材料的额外步骤来移除化学催化剂。本文中所提供的措施的复杂程度还可比使用单独的冰成核手段来诱发冰成核的系统更小。

此外，第一贮藏器部段和第二贮藏器部段可各自具有可被单独优化或调节的热传递特性。例如，第一贮藏器部段和第二贮藏器部段两者的材料和/或几何性质可被优化，使得实现样品内的期望的温度梯度。照此，提供了多个自由度，以用于在样品的冷冻期间修改从样品到贮藏器保持器的热流特性。针对第一贮藏器部段和/或第二贮藏器部段的不同性质可用于不同类型的样品、不同类型的贮藏器、不同的冷冻模式、不同类型的冷却设备或不同的样品体积。因此，提供了用于优化生物样品中的温度梯度并实现定向凝固的灵活且可调适的机构。

现在将详细描述装置及其特征的示例。

图2示出了根据示例的用于在冷冻贮藏器(未示出)中的生物样品的至少部分中使用的装置200。在该示例中，装置200用于冷冻在低温保存袋或低温袋中的生物样品，应当理解，在其它示例中可使用其它类型的贮藏器。低温袋例如是适合于在低温保存期间存储生物样品的专用柔性袋。低温袋可构造成存储例如在5毫升(ml)和1000ml之间的相对大的样品体积。

样品可包括待冷却或冷冻的流体或液体，例如水溶液。生物样品可被认为是包含生物材料(或质、物质或介质)的样品。生物材料可被认为是在活生物体中产生或存在的材料。生物材料的示例包括但不限于细胞、细胞器、病毒、疫苗、器官、基质、微生物和组织。样品可容纳在容器或贮藏器(例如低温容器或低温袋)内。在示例中，贮藏器可为器皿、试管、小瓶、吸管或袋。

装置200包括基部210和从基部210延伸的多个壁220。基部210可被认为是装置200的底部或下部部分，装置200可搁置在该底部或下部部分的表面上。例如，在装置搁置在其基部上的情况下，由装置保持并保持样品的非袋类贮藏器可取向在直立位置。基部210可具有大体上平坦的形状(例如如果它是板的话)。基部可具有平坦的表面，例如装置可搁置在该表面上。基部210可安装在冷却器装置(例如，低温冷却器)上或以其它方式由冷却器装置接触(例如经由基部的平坦表面)。多个壁220包括壁225。装置200可构造成保持或固持多个贮藏器，例如低温袋，各个贮藏器基本上直立地放置在成对的壁之间。照此，装置200可被认为包括贮藏器保持器。壁220可基本上垂直(在可接受的测量公差内)于基部210，或者相对于基部210以非垂直的角度成角度。在该示例中，壁220相对于彼此基本上平行(例如在可接受的测量公差内)。在其它示例中，壁220可相对于彼此不平行。

在该示例中，基部210包括板。板210可包括导热板。板210或面板可充当散热器。板210可由诸如低温冷却器的冷却器装置冷却。在一些示例中，板210是低温冷却器的部件。在该示例中，装置200的第一贮藏器保持器部段230是板210的表面的部段。该表面可为板210的上表面。该表面可为导热表面。第一贮藏器保持器部段230构造成当基部210由冷却器装置冷却时以第一热提取速率从贮藏器的第一部分提取热能。在该示例中，第一贮藏器保持器部段230构造成在样品的冷却期间接触贮藏器的最下面的部分，例如贮藏器的基部。

在该示例中，第二贮藏器保持器部段240是从板210延伸的壁225(例如，多个壁220中的一个)的部段。在一些示例中，第二贮藏器保持器部段240是壁225的全部。在一些示例中，第二贮藏器保持器部段240包括多个壁220中的多个壁的部段。第二贮藏器保持器部段240构造成使得经由第二贮藏器保持器部段240从贮藏器的第二部分进行的热能提取的第二热提取速率低于第一热提取速率。例如，在贮藏器基本上直立地站立在成对的壁之间的情况下，与热从贮藏器的基部传递到板210的上表面的速率相比，热可以以更低的速率从贮藏器传递到成对的壁中的一个或两个。

第二贮藏器保持器部段240可具有与第一贮藏器保持器部段230不同的热流特性。例如，第一贮藏器保持器部段和第二贮藏器保持器部段可包括具有不同热导率的材料。第一贮藏器保持器部段和第二贮藏器保持器部段的热流特性之间的差异允许在样品的冷却期间在样品中建立温度梯度，该温度梯度足以在样品的与贮藏器的第一部分接触的第一区域中诱发冰成核，但不在样品的与样品的第二部分接触的第二区域中诱发冰成核。

图3示出了用于在冷冻贮藏器(未示出)中的生物样品的至少部分中使用的示例装置300。图3中所描绘的一些项目类似于图2中所示出的项目。对应的参考标记(递增100)因此用于类似的项目，并且对应的描述也应当适用。

在该示例中，壁325的基部部分比壁325的非基部部分更宽，壁325的基部部分比壁325的非基部部分更接近于基部310。在该示例中，贮藏器保持器的第一部段330是壁325的第一壁部段，例如壁325的基部部分，并且贮藏器保持器的第二部段340是壁325的第二壁部段，例如壁325的非基部部分。在一些示例中，贮藏器保持器的第一部段330可另外包括板310的上表面。

由于壁325的基部部分比壁325的非基部部分更宽，故壁325的基部部分和由装置300保持的贮藏器之间的接触区域可大于壁325的非基部部分和贮藏器之间的接触区域。给定贮藏器保持器部段和贮藏器之间的接触区域的尺寸是给定贮藏器保持器部段的热传递特性的示例。与经由壁325的基部部分从贮藏器进行的热传递的速率相比，壁325的非基部部分和贮藏器之间的相对小的接触区域允许在基部310的冷却期间经由壁325的非基部部分从贮藏器进行的热传递的速率相对低。照此，可在样品中建立温度梯度，以使得能够在样品中发生渐进凝固。可调适和/或优化壁325的不同部分的相对宽度，以便针对不同的样品类型、体积或冷却速率来控制或修改温度梯度。

在该示例中，多个壁320中的各个具有相对宽的基部部分和相对窄的非基部部分。在一些示例中，多个壁320中的一个或多个在其从基部310延伸时具有变化的宽度，并且多个壁320中的一个或多个其它壁在其从基部310延伸时不具有变化的宽度。

图4示出了用于在冷冻贮藏器(未示出)中的生物样品的至少部分中使用的示例装置400。图4中所描绘的一些项目类似于图3中所示出的项目。对应的参考标记(递增100)因此用于类似的项目，并且对应的描述也应当适用。

在该示例中，壁425包括通过壁425的开口450。例如，开口450或孔可通过切除壁425的部分来产生。开口450的第一宽度456比开口450的第二宽度455更窄，第一宽度456比第二宽度455更接近于基部410。照此，开口450的宽度可沿着垂直于基部410的轴线变化。当贮藏器放置在壁425和多个壁420中的相邻壁之间时，与在开口450具有第一宽度456的位置在壁425和贮藏器之间的接触区域相比，在开口450具有第二宽度456的位置在壁425和贮藏器之间可存在相对小的接触区域。照此，与从贮藏器到壁425的具有开口450的第一宽度456的区域的热传递速率相比，可建立更低的从贮藏器到壁425的具有开口450的第二宽度455的区域的热传递速率。开口450沿着壁425的高度的变化的宽度可促进在样品中建立温度梯度，该温度梯度足以实现样品的渐进凝固。可调适和/或优化壁325的不同部分中的开口450的相对宽度，以便针对不同的样品类型、体积或冷却速率来控制或修改温度梯度。

在该示例中，壁425包括相对宽的基部部分和相对窄的非基部部分，其中仅非基部部分包括开口450。在其它示例中，基部部分和非基部部分两者都可包括开口，该开口可具有类似或不同的尺寸。

尽管在该示例中，壁425包括相对宽的基部部分和相对于基部部分相对窄的非基部部分，但在其它示例中，可使用具有类似或相同宽度的基部部分和非基部部分的壁，其中非基部部分可包括比基部部分的开口更宽的开口，或者其中仅非基部部分包括开口。

图5示出了用于在冷冻贮藏器(未示出)中的生物样品的至少部分中使用的示例装置500。图5中所描绘的一些项目类似于图4中所示出的项目。对应的参考标记(递增100)因此用于类似的项目，并且对应的描述也应当适用。

在该示例中，第一壁525包括开口550，诸如上文参考图4而描述的开口，并且第二壁526不包括开口。照此，由于在第一壁525中存在开口550并且在第二壁526中不存在开口，故第一壁525和贮藏器之间的接触区域可小于第二壁526和贮藏器之间的接触区域。第一壁525中的开口550的第一宽度大于开口550的第二宽度，与第二宽度相比，第一宽度距基部510更远。

第一壁525和第二壁526可为多个壁520中的相邻壁。照此，给定的贮藏器在由装置500保持时可放置成与第一壁525和第二壁526两者接触。在这样的情况下，由于在第一壁525中存在开口550，故可存在比经由第一壁525从贮藏器进行的热能提取的速率更快的经由第二壁526从贮藏器进行的热能提取的速率。

在一些示例中，第二壁526还包括开口。第二壁526中的开口的尺寸和/或形状可不同于第一壁525中的开口550。

在成对的相邻壁中的一个或两个壁中包括开口或孔为在样品冷冻期间优化样品中的温度梯度提供了额外的自由度。开口的存在、位置、尺寸和形状，以及这样的开口是否存在于将在其之间接纳贮藏器的成对的壁中的一个或两个壁上，都是可能够单独优化的参数。例如，可针对不同的样品类型和/或体积来提供不同类型和尺寸的开口，以便以可重复且灵活的方式实现样品的渐进凝固。

图6和图7示出了用于在冷冻贮藏器(未示出)中的生物样品的至少部分中使用的示例装置600。图6和图7中所描绘的一些项目类似于图2中所示出的项目。对应的参考标记(递增400)因此用于类似的项目，并且对应的描述也应当适用。

在图6和图7中所示出的示例中，装置600包括狭槽650或轨道。狭槽650是装置600的基部610的部段。多个壁620可经由狭槽650而可滑动地安装在基部610上。照此，狭槽650使得能够调节多个壁620中的相邻壁之间的间距。例如，具有可滑动地安装的壁可允许装置600容纳不同尺寸的贮藏器。另外或备选地，可滑动地安装的壁可确保壁在冷冻操作期间与贮藏器接触。例如，可滑动地安装的壁可牢固地压靠贮藏器的侧部，以与贮藏器热接触，并且然后在冷冻操作完成之后从贮藏器的侧部被拉离。

图8示出了用于在冷冻贮藏器(未示出)中的生物样品的至少部分中使用的示例装置800。图8中所描绘的一些项目类似于图6中所示出的项目。对应的参考标记(递增200)因此用于类似的项目，并且对应的描述也应当适用。

在该示例中，壁825包括基部部分和非基部部分。第一贮藏器保持器部段830包括壁825的基部部分。第二贮藏器部段840包括壁825的非基部部分。第一贮藏器保持器部段830可另外包括基部810的上表面。

在该示例中，壁825的基部部分包括第一材料或物质，并且壁825的非基部部分包括不同的第二材料。在一些示例中，第一材料包括金属。例如，第一材料可包括铝、银、铜或黄铜。在其它示例中，第一材料包括非金属。例如，第一材料可包括蓝宝石。第二材料可包括聚合物。例如，第二材料可包括聚丙烯、聚苯乙烯或聚四氟乙烯(ptfe)。第一材料可具有第一热导率，并且第二材料可具有第二热导率。热导率例如是热能通过特定材料传输的速率。在示例中，第一热导率至少为10瓦每米-开尔文(w/mk)。在示例中，第二热导率至多为1w/mk。第一材料和/或第二材料可被选择成使得在冷冻操作期间在样品中建立预确定的温度梯度。例如，可选择第一材料以便实现从样品到壁825的基部部分的第一热传递速率，并且可选择第二材料以便实现从样品到壁825的非基部部分的较低的第二热传递速率。第一材料和/或第二材料可基于它们的导热特性来选取。将不同的材料用于第一贮藏器保持器部段830和第二贮藏器保持器部段840为在样品冷冻期间优化样品中的温度梯度提供了额外的自由度。贮藏器保持器部段830、840中的各个的材料和材料特性可能够单独优化。例如，用于第一贮藏器保持器部段830和第二贮藏器保持器部段840的材料中的一者或两者可针对不同的样品类型、体积或冷却速率来调适或改变，以便以可重复且灵活的方式实现样品的渐进凝固。

在一些示例中，基部810和壁825的基部部分由相同的材料构成。例如，贮藏器保持器的第一部段830可包括基部810的上表面和壁825的基部部分两者。在一些示例中，基部810由与壁825的基部部分的材料不同的材料构成。

在该示例中，壁825经由狭槽850而可滑动地安装在基部810上。在其它示例中，壁825固定到基部810。在该示例中，在可接受的制造公差内，壁825的基部部分具有与壁825的非基部部分相同的宽度。在其它示例中，壁825的基部部分比壁825的非基部部分更宽，使得壁825的基部部分和贮藏器之间的接触区域大于壁825的非基部部分和贮藏器之间的接触区域。在一些示例中，如上文更详细地描述的，壁825的基部部分和/或壁825的非基部部分包括一个或多个开口。

图9至图11示出了根据示例的用于在冷冻贮藏器905中的生物样品的至少部分中使用的装置900。在该示例中，贮藏器905包括低温小瓶，应当理解，在其它示例中可使用其它类型的贮藏器。低温小瓶可为适合于在低温保存期间存储生物样品的专用管或小瓶。低温小瓶可构造成存储例如在0.5ml和50ml之间的相对小的样品体积。

装置900包括基部910。基部910例如是装置900的底部部分，其构造成支承装置900或者装置900可搁置在其上。基部910可能够与诸如低温冷却器或导热板的冷却器装置的冷却表面接触。在该示例中，装置900包括一个或多个贮藏器保持器，以用于分别保持一个或多个贮藏器，诸如贮藏器905。贮藏器保持器可被认为是用于冷冻小瓶中的样品的样品板的部分。在其它示例中，装置包括构造成仅保持单个贮藏器(例如贮藏器905)的单个贮藏器保持器。

在该示例中，贮藏器保持器包括凹部以接纳贮藏器905。凹部或空腔可通过向实心板中镗孔或钻孔来产生。在可接受的测量公差内，凹部可构造成具有与将放置在其中的贮藏器类似的尺寸，使得贮藏器的壁与凹部的壁齐平。

贮藏器保持器包括第一贮藏器保持器部段930和第二贮藏器保持器部段940。第一贮藏器保持器部段930可被认为是基部部分，并且第二贮藏器保持器部段940可被认为是非基部部分，因为第一贮藏器保持器部段930比第二贮藏器保持器部段940更接近于基部910。第一贮藏器保持器部段930可构造成接触贮藏器905的第一部分，例如，贮藏器905的下部部分。第二贮藏器保持器部段930可构造成接触或以其它方式保持贮藏器905的第二部分，例如贮藏器905的上部部分。在该示例中，第一贮藏器保持器部段930向上延伸到在其中接纳贮藏器905的凹部的壁的一半。在一些示例中，第一贮藏器保持器部段是贮藏器在其上站立的基部的部段，而不是凹部的壁的部段。在一些其它示例中，第一贮藏器保持器部段930包括基部910的部段和凹部的壁的部段。

在该示例和其它示例中，第一贮藏器保持器部段930构造成至少部分地环绕贮藏器905的第一部分，并且第二贮藏器保持器部段940构造成至少部分地环绕贮藏器905的第二部分。环绕贮藏器的给定部分可涉及相应的贮藏器保持器部段的表面至少部分地围绕贮藏器的给定部分延伸，例如，使得给定贮藏器部分的表面的一半以上面向相应的贮藏器保持器部段的表面。如下文的示例中所描述的，给定的贮藏器部分的表面可与环绕的贮藏器保持器部段接触，或者可与其间隔开。

在该示例中，第一贮藏器保持器部段930由第一材料构成，并且第二贮藏器保持器部段940由不同于第一材料的第二材料构成。第一材料可具有与第二材料相比相对高的热导率，并且第二材料可具有与第一材料相比相对低的热导率。第二贮藏器保持器部段940可由热绝缘材料构成。

在一些示例中，第一贮藏器保持器部段930和第二贮藏器保持器部段940具有不同的孔隙率。例如，第二贮藏器保持器部段940可由具有与第一贮藏器保持器部段930的材料相比相对高的孔隙率的材料构成，并且第一贮藏器保持器部段930可由具有与第二贮藏器保持器部段940的材料相比相对低的孔隙率的材料构成。第二贮藏器保持器部段940相对于第一贮藏器保持器部段930的较大孔隙率可造成第二贮藏器保持器部段940相对于第一贮藏器保持器部段930的较低热导率。在一些示例中，第一贮藏器保持器部段930和第二贮藏器保持器部段940的材料可仅在其相对孔隙率方面不同。尽管关于装置900而描述了具有不同孔隙率的材料，但将理解，具有不同孔隙率的材料也可用于其它示例装置(诸如上文参考图8而描述的装置800)中。在示例中，第二贮藏器保持器部段940可由其中具有中空部的材料构成，并且第一贮藏器保持器部段930可由实心材料构成。具有中空部的材料可在第二贮藏器保持器部段940内提供绝缘气体(例如中空部中的空气)层，由此降低第二贮藏器保持器部段940的有效热导率。由于所使用的不同材料和/或材料性质，第一贮藏器保持器部段930和第二贮藏器保持器部段940具有不同的热传递特性，以使得能够在冷冻操作期间以不同的速率从样品提取热能。

装置900构造成沿着远离基部910延伸的冷冻操作温度梯度轴线950保持贮藏器905。在一些示例中，温度梯度轴线950可基本上垂直(在可接受的测量公差内)于基部910的平面。温度梯度轴线950可限定在冷冻操作期间样品渐进凝固的方向。例如，凝固可在样品的基部区域中开始，并朝向样品的上部区域向上进行。样品的基部区域可为冰成核发生的区域，以及冰成核受限于的区域。具有温度梯度轴线950的在样品中的温度梯度可经由第一贮藏器保持器部段930和第二贮藏器保持器部段940的不同热提取速率来实施。尽管温度梯度轴线950在图9至图11中示出，但将理解，具有温度梯度轴线的温度梯度也可在本文中所描述的其它示例中实施。

图12至图14示出了用于在冷冻贮藏器1205中的生物样品的至少部分中使用的示例装置1200。在该示例中，贮藏器1205包括低温小瓶。图12至图14中所描绘的一些项目类似于图9至图11中所示出的项目。对应的参考标记(递增300)因此用于类似的项目，并且对应的描述也应当适用。

贮藏器保持器包括第一贮藏器保持器部段1230和第二贮藏器保持器部段1240。贮藏器保持器构造成沿着远离基部1210延伸的冷冻操作温度梯度轴线1250保持贮藏器1205。在一些示例中，温度梯度轴线1250可基本上垂直于基部1210的平面(例如在可接受的测量公差内)。第一贮藏器保持器部段1230包括第一表面1232。第二贮藏器保持器部段1240包括第二表面1242。第一表面1232和第二表面1242可为凹部的内表面。当贮藏器1205由装置1200接纳时，第一表面1232可邻接贮藏器1205。与第一表面1232相比，第二表面1242距基部1210更远。在该示例中，与第一表面1232相比，第二表面1242距温度梯度轴线更远。在该示例中，当贮藏器1205由装置1200接纳时，第二表面1242不邻接贮藏器1205。因此，当贮藏器1205由装置1200接纳时，第二表面1242与贮藏器1205间隔开预确定的量。在一些示例中，第一表面1232基本上平行于温度梯度轴线1250(例如在可接受的公差内)。在一些示例中，第二表面1242相对于温度梯度轴线1250以非平行角度成角度，然而在其它示例中，第二表面1242基本上平行(在可接受的测量公差内)于温度梯度轴线1250。

照此，在贮藏器1205由贮藏器保持器保持的情况下，第一表面1232和贮藏器1205的第一部分之间的环境气体的第一体积可小于第二表面1242和贮藏器1205的第二部分之间的环境气体的第二体积。典型地，环境气体是环绕贮藏器的气体介质，其可为空气或另一种气体或气体混合物。在冷却操作(例如利用冷却器装置来冷却基部1210)期间，环境气体的温度可高于基部1210的温度。在一些示例中，环境气体的第一体积可为零，例如其中第一表面1232与贮藏器1205的第一部分齐平。环境气体可提供绝缘层，例如在贮藏器1205和贮藏器保持器的给定表面之间提供绝缘层。这样的绝缘气体层的存在和/或厚度可使得能够经由第二表面1242从贮藏器的第二部分以比经由第一表面1232从贮藏器的第一部分进行的热能提取的速率更低的速率提取热能。

在该示例中，第一贮藏器保持器部段1230还包括第三表面1234。第三表面1234横跨凹部而与第一表面1232相对。第二贮藏器保持器部段1240包括横跨凹部而与第二表面1242相对的第四表面1244。在该示例中，在第一表面1232和第三表面1234之间得到的凹部的第一宽度小于在第二表面1242和第四表面1244之间得到的凹部的第二宽度。照此，凹部在距基部1210更远的平面中可比在更接近于基部1210的平行平面中更宽。

在该示例中，凹部朝向基部1210渐缩。在其它示例中，凹部的宽度以非连续的方式沿着垂直于基部1210的轴线增加。例如，凹部的宽度可根据阶跃函数而变化，其中凹部的基部部分邻接贮藏器1205，并且凹部的非基部部分与贮藏器1205间隔开预确定的量，基部部分和非基部部分相对于彼此基本上平行(例如在可接受的制造公差内)。

在图12至图14中所示出的示例中，第一贮藏器保持器部段1230和第二贮藏器保持器部段1240具有不同的几何性质值。例如，几何特性可包括在相应的贮藏器保持器部段的两个相对表面之间得到的凹部的宽度，和/或在冷冻操作期间在相应的贮藏器保持器部段的表面和贮藏器的对应表面之间的距离。这样的几何性质是给定的贮藏器保持器部段的热流特性的示例，因为几何性质影响热能可如何从贮藏器传递到给定的贮藏器保持器部段。例如，贮藏器和给定的贮藏器保持器部段之间的空气层的厚度可根据经由给定的贮藏器保持器部段从贮藏器提取热能的期望速率来确定。

本文中所描述的装置可使用多种冷却设备来冷却。

在一些已知的系统中，容器中的流体(例如室温下的流体)可通过将容器放置到维持在非常低的温度(例如低于-130℃)下的冷表面上来冷却。将容器放置在这样的等温(即具有固定的温度)的冷表面上可引起流体中的温度的快速改变。

然而，在冷却期间，如果没有以适当方式控制这样的冷却，则诸如细胞的生物样品有被损坏或损伤的风险。例如，当在冷却期间冰成核发生并且冰晶形成时，细胞可受到来自冰晶的直接损坏以及还有随着越来越多的冰的形成而由样品中的溶质浓度的增加引起的损坏。当样品解冻时，被损坏的细胞可不太可能恢复和/或发挥功能。

以受控的方式冷却生物样品可减少由这样的影响引起的对生物材料的损坏，并且由此可有助于在解冻之后保持细胞活力和功能。例如，根据冷却方案，生物样品可以以受控的速率冷却，该速率可为恒定的或者可随时间变化。

冷却方案可通过冷却设备(例如作为诸如由asymptotelimited制造的viafreeze^tm设备的冷却系统的部件而被包括的冷却设备)来实施。一些冷却系统将冷气吹到样品上，这可引起横跨样品或在样品之间(其中多个样品将由冷却系统冷却)的不均匀的冷却速率或冷却分布(例如，表示冷却速率随时间或温度的改变)。viafreeze^tm冷却系统通过样品的下侧上的传导来冷却样品，并且因此每个样品可经历相同的冷却分布。

冷却速率可取决于正被冷冻的样品的性质。如果冷冻之后的冷却速率过快或过慢，则解冻时的样品质量(例如细胞活力或功能)可能严重降低。一旦冷冻至例如-80℃或-100℃，就可将样品从viafreeze^tm系统移除并将样品放置在长期冷冻存储装置中。

图15示出了用于冷却样品的示例冷却设备1500。冷却设备1500可包括冷藏机或冷冻机装置，例如速率受控的冷冻机。在一些示例中，冷却设备1500包括和/或使用低温冷却器，该低温冷却器能够用于将样品冷却至低温温度。如上文所描述的，低温温度可被认为是低于-50℃或低于-180℃的温度。例如，冷却设备1500可能够用于将样品冷却至-196℃。可用作冷却设备1500的低温冷却器的示例包括斯特林低温冷却器、声学斯特林低温冷却器、克莱门科循环(kleemencocycle)低温冷却器、脉冲管低温冷却器和焦耳-汤姆逊低温冷却器。

冷却设备1500包括冷却器装置1510。在该示例中，冷却器装置1510包括冷却设备1500的冷指，其为冷却设备1500的在冷却设备1500的操作期间将被冷却的局部部件。冷却设备1500可进一步包括一个或多个压缩机、活塞、热交换器等，以用于从冷指1510提取热。

冷指1510可例如通过与导热板1520直接接触来冷却导热板1520。包括贮藏器保持器的装置可放置成与导热板1520接触。在一些示例中，导热板1520是装置的部件。装置可为上文所描述的装置200、300、400、500、600、800、900、1200中的一个。照此，冷却器装置1510可用于冷却装置200、300、400、500、600、800、900、1200。

可使用不同类型的贮藏器保持器，例如以容纳不同类型和/或尺寸的贮藏器。例如，作为先前描述的装置的部件，贮藏器保持器可能够从冷却设备1500移除，以允许容易地添加或移除样品。导热板1520和/或冷却器装置1510可被认为是散热器，换句话说，冷却设备1500的在对样品执行的冷却操作期间将从样品吸收或提取热能的区域或部件。

冷却设备1500可对样品执行冷却操作，并且冷却操作可与冷却分布相关联。冷却分布或温度分布可为包括冷却过程的时间间隔处的目标温度的数据集。例如，冷却分布描述在冷却操作期间测量温度(例如样品的测量温度)应当如何随时间改变。可在冷却分布的不同阶段处设定目标冷却速率，例如温度随时间的改变。在一些示例中，可在冷却分布中设定恒定的目标冷却速率。

冷却分布可被预编程到控制模块中，该控制模块配置成控制冷却设备1500的操作。控制模块可包括控制电路，例如其包括一个或多个处理器和计算机可读存储装置，该计算机可读存储装置具有能够由一个或多个处理器执行以控制冷却设备的适当的指令。例如，在冷却操作期间的给定时间，控制模块可从一个或多个温度传感器或探头接收温度数据，该数据表示样品的测量温度和/或在一些示例中表示冷却室的测量温度。控制模块可将接收的温度数据与在对应时间根据特定冷却分布的目标温度值进行比较，并且可基于比较的结果来调整冷却操作。例如，如果在给定时间的测量温度高于根据温度分布在对应时间的目标温度，则控制模块可控制冷却操作以降低被测量的实体(即样品和/或室)的温度。这样的比较和可能的作为结果的调整可在冷却操作期间的预确定的时间发生，和/或可以以规则的时间间隔发生。以此方式，控制模块可在冷却操作期间实时跟踪冷却分布，从而调整冷却操作以遵循设定的冷却分布。

图16示出了用于冷却样品的示例冷却设备1600。

在该示例中，包括贮藏器保持器的装置可通过与高传导性散热器1620接触来冷却。散热器1620可包括导热板。散热器1620可通过诸如液氮的低温气体在室1630中的内部流来冷却。散热器1620的温度可在整个冷却过程中是等温的，或者可变化。散热器1620的温度可通过修改通过室1630的气体流量来控制，或者通过在散热器1620的顶部表面上放置加热器并控制加热器的温度来控制。使用冷却设备1600的冷却过程可为允许处理单个样品的批量过程。散热器1620和/或室1610可被认为是能够用于冷却诸如上文所描述的装置200、300、400、500、600、800、900、1200的装置的冷却器装置。

图17示出了用于冷却样品的示例冷却设备1700。

冷却设备1700包括多个散热器1720和室1730。多个散热器1720可由通过室的低温气体流冷却。多个散热器1720中的各个可构造成接纳相应的装置，各个装置包括相应的贮藏器保持器。不同的散热器可构造成接纳具有不同性质的装置。例如，在第一和第二相应的贮藏器保持器部段之间具有第一特征温度差的第一装置可由冷却设备1700的第一散热器接纳，并且在第一和第二相应的贮藏器保持器部段之间具有第二特征温度差的第二装置可由冷却设备1700的第二散热器接纳。照此，具有不同热提取性质的不同装置可由冷却设备1700同时冷却。使用冷却设备1700的冷却过程可允许同时冷却多个不同的样品。不同的样品可具有不同的样品类型、不同的体积或者容纳在不同类型的贮藏器中。

图18示出了用于冷却样品的示例冷却设备1800。图18中所描绘的一些项目类似于图17中所示出的项目。对应的参考标记(递增100)因此用于类似的项目，并且对应的描述也应当适用。

冷却设备1800包括散热器1820和室1830。散热器1820可由通过室1830的低温气体流冷却。多个装置可放置在散热器1820上，各个装置包括相应的贮藏器保持器。具有不同热提取性质的不同装置可由冷却设备1800同时冷却。

图19示出了用于冷却样品的示例冷却设备1900。

冷却设备1900包括散热器1920和冷冻机1930。冷冻机1930可为实验室冷冻机，例如-80℃冷冻机。散热器1920可放置在冷冻机1930内部，以被动冷却散热器1920。包括贮藏器保持器的装置可放置在散热器1920上，并且继而可通过与散热器1920接触而冷却。

上文所描述的示例涉及使用装置的贮藏器保持器，该贮藏器保持器具有不同的部段，这些部段具有不同的热提取性质，以在样品的冷却期间在样品中建立温度梯度，以便在样品的第一区域中诱发冰成核，并防止样品的第二区域中的冰成核。另外和/或备选地，这样的效果可通过使用如下的贮藏器来实现：如下文的示例中所描述的，该贮藏器适于具有带有不同热传递性质的不同部段。这样的贮藏器可与上文所描述的示例装置中的一个一起使用，或者可与已知的贮藏器保持器一起使用。

图20示出了用于在冷冻容纳在其中的生物样品中使用的贮藏器2000。在该示例中，贮藏器2000为低温小瓶，应当理解，在其它示例中，贮藏器2000可为不同类型的容器或低温容器。

贮藏器2000包括第一部分2010。第一部分2010包括第一内表面2012和第一外表面2014。第一内表面2012是贮藏器2000的内表面，并且第一外表面2014是贮藏器的外表面。第一部分2010构造成以第一热传递速率将热能从第一部分2010的第一内表面2012传递到第一部分2010的第一外表面2014。

贮藏器2000还包括第二部分2020。第二部分2020包括第二内表面2022和第二外表面2024。第二内表面2022是贮藏器2000的内表面。第二外表面2024是贮藏器2000的外表面。第二部分2020构造成以第二热传递速率将热能从第二部分2020的第二内表面2022传递到第二部分2020的第二外表面2024。第二热传递速率小于第一热传递速率。在一些示例中，第二热传递速率大于第一热传递速率。

在一些示例中，第一部分2010包括具有热流特性的第一值的第一材料，并且第二部分2020包括具有热流特性的第二值的第二材料。第二值不同于第一值。热流特性可为热导率。在一些示例中，第一部分2010的壁和第二部分2020的壁可具有不同的厚度。例如，在与贮藏器2000的主轴线2030基本上垂直的平面中得到的在第一内表面2012和第一外表面2014之间的距离可不同于在与贮藏器2000的主轴线2030基本上垂直的平面中得到的在第二内表面2022和第二外表面2016之间的距离。主轴线例如是贮藏器的纵向轴线。

在一些示例中，热流特性是几何性质。例如，第一部分2010可比第二部分2020更宽。给定的贮藏器部分的宽度可垂直于贮藏器2000的主轴线2030而得到。给定的贮藏器部分的宽度可对应于作为整体的贮藏器的横截面。照此，与第二部分2020相比，第一部分2010可构造成具有更大的与贮藏器保持器的接触区域。在一些示例(例如其中贮藏器2000是圆柱形)中，第一部分2010的周长可大于第二部分2020的周长。在一些示例中，第一部分2010的半径可大于第二部分2020的半径。

在一些示例中，贮藏器2000包括用于接纳生物样品的内部空腔或体积。第一部分2010可包括横跨空腔而与第一内表面2012相对的第三内表面2016。第三内表面2016在垂直于贮藏器2000的主轴线2030的平面中与第一内表面2012相对。第二部分2020可包括横跨空腔而与第二内表面2022相对的第四内表面2026。第四内表面2026在垂直于贮藏器2000的主轴线2030的平面中与第二内表面2022相对。第二内表面2022和第四内表面2026之间的平面平行于第一内表面2012和第三内表面2016之间的平面。第一内表面2012和第三内表面2016之间的距离2032可大于第二内表面2022和第四内表面2026之间的距离2034。因此，第一部分2010可比第二部分2020更宽。照此，第一部分2010可构造成具有比第二部分2020更大的热流性质(例如，由于具有比第二部分2020更大的表面区域)。

在示例中，第一热传递速率和第二热传递速率之间的差至少足以在贮藏器2000中的样品内建立温度梯度，使得在利用经由第一部分2010和第二部分2020的热传递的冷冻操作期间，冰成核发生在样品的第一区域中，第一区域与第一部分2010接触，而在样品的第二区域中没有冰成核，第二区域与第二部分2020接触。因此，可在样品的冷却期间控制样品中的冰形成。

图21示出了说明冷冻存储在贮藏器中的生物样品的部分的方法2100的流程图。

在框2110处，将容纳样品的贮藏器布置在贮藏器保持器中。贮藏器保持器可为诸如上文所描述的装置200、300、400、500、600、800、900、1200中的一个的装置的部件。在一些示例中，贮藏器保持器是与被描述为装置200、300、400、500、600、800、900、1200的部件的贮藏器保持器不同的贮藏器保持器。在一些示例中，贮藏器可为上文所描述的贮藏器2000。

在框2120处，使用冷却器装置来冷却贮藏器保持器。例如，贮藏器保持器的基部可放置成与冷却器装置的冷却表面接触。冷却表面的温度可在由冷却器装置执行的冷却操作期间变化。冷却器装置可包括低温冷却器。在一些示例中，贮藏器保持器以受控的速率冷却。例如，贮藏器保持器可由速率受控的冷冻机冷却。

在框2130处，在使用冷却器装置来冷却贮藏器保持器期间，经由贮藏器保持器的第一贮藏器保持器部段从贮藏器的第一部分提取热能。以第一热提取速率经由第一贮藏器保持器部段从贮藏器的第一部分提取热能。例如，贮藏器的第一部分可布置成与第一贮藏器保持器部段传导接触。

在框2140处，在使用冷却器装置来冷却贮藏器保持器期间，使经由贮藏器保持器的第二贮藏器保持器部段从贮藏器的第二部分进行的热能提取的第二热提取速率小于第一热提取速率。与第一贮藏器保持器部段相比，第二贮藏器保持器部段可距贮藏器保持器的基部更远。在一些示例中，以第二热提取速率经由第二贮藏器保持器部段从贮藏器的第二部分提取热能。第一热提取速率和第二热提取速率之间的差可至少足以在生物样品内建立温度梯度，使得在使用冷却器装置的冷冻操作期间，样品的成核发生在样品的第一区域中，第一区域与贮藏器的第一部分接触，而在样品的第二区域中没有样品的成核，第二区域与贮藏器的第二部分接触。

图22示出了在经历利用渐进凝固的冷冻操作的样品中温度对时间的示例表示2200。

在图22中，第一线2210对应于由样品的基部区域中的第一热电偶获得的测量数据，第二线2220对应于由样品的中部区域中的第二热电偶获得的测量数据，并且第三线2230对应于由样品的上部区域中的第三热电偶获得的测量数据。使用如本文中所描述的方法来冷却样品。

如图22中所示出的，样品的基部区域过度冷却至-10℃左右，并且当基部区域中发生冰成核时，基部区域中的温度快速升高。然而，在样品的中部区域或上部区域中没有对应的温度跃变，在那些区域中也没有过度冷却。因此，除了发生成核的区域之外，样品的其余部分可在没有过度冷却的情况下冷冻，因此至少在样品的除了基部区域之外的区域中改善细胞活力。在基部区域中的冰成核之后，可在整个样品中形成冰。作为说明性示例，诱发多能干细胞(ips)衍生的神经元和哺乳动物胚胎的解冻后活力可通过使用本文中所描述的措施来改善。其它类型的细胞和其它类型的生物材料的解冻后活力也可通过本文中所描述的措施来改善。

上文的示例将被理解为说明性的。设想了另外的示例。

将理解，关于任何一个示例而描述的任何特征可单独使用，或者与所描述的其它特征组合使用，并且还可与任何其它示例的一个或多个特征或者任何其它示例的任何组合组合使用。此外，在不脱离所附权利要求书中所限定的范围的情况下，也可采用上文未描述的等同体和修改。