生物材料低温保存微通道芯片及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种生物材料低温保存微通道芯片及装置，生物材料低温保存微通道芯片包括两块壁体和一个环形垫片，两块壁体夹持环形垫片形成密闭微腔，其中一块壁体上设有生物材料入口和生物材料出口，生物材料入口和生物材料出口均与密闭微腔相通，两块壁体的外表面上均设有若干个槽型通道，槽型通道的设置为工作液体，如制冷剂或者复温剂的流动提供通道和导向，便于实现工作液体的循环流动，提高工作液体与生物材料的热量交换效率，提高降温或复温速率；同时，该微通道芯片对生物材料的低温保存为封闭保存，避免了生物材料的污染和人因素的损伤；本发明的生物材料低温保存微通道芯片及装置结构简单，便于大批量生产。
【专利说明】生物材料低温保存微通道芯片及装置
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]生物材料虽然可以在超低温(如_196°C)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。
[0004]“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。
[0005]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(Frenchmin1-Straw, 0.25ml)承载微量样品并直接投入液氮(_196°C ),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°C)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。ReubinnofT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 PulledStraw, CPS)、微量吸头法(Micropipette)、Cryotop 及 Cryotip 等方法。
[0006]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。
[0007]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:
[0008]1.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；
[0009]I1.对样品体积有限制。传统方法中样品呈半球体或圆柱体，随着样品体积的增力口，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。
[0010]II1.系统具有开放性，难以避免对样品的污染。
【发明内容】
[0011]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。
[0012]为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案:
[0013]一种生物材料低温保存微通道芯片，包括两块壁体和一个环形垫片，两块壁体夹持环形垫片形成密闭微腔，其中一块壁体上设有生物材料入口和生物材料出口，生物材料入口和生物材料出口均与密闭微腔相通，两块壁体的外表面上均设有若干个槽型通道。
[0014]进一步地，所设槽型通道平行排列且长度与微通道芯片壁体长度相等。
[0015]进一步地，所述生物材料入口和生物材料出口分别位于生物材料入口和生物材料出口所在壁体的两个对角上。
[0016]进一步地，所述槽型通道的横截面呈矩形、半圆形、三角形等。
[0017]进一步地，所述壁体为硅片或者金属片。
[0018]进一步地，所述环形垫片的材质为柔性高分子材料。
[0019]进一步地，所述环形垫片的材质为聚二甲基娃氧烧(polydimethylsi 1xane,PDMS)ο
[0020]进一步地，一种生物材料低温保存装置，包括所述用于生物材料低温保存的微通道芯片，还包括密闭的绝热外壳，所述微通道芯片水平固定于绝热外壳的中央，绝热外壳与微通道芯片平行的一面上设有工作液体入口、工作液体出口、生物材料入口和生物材料出口，其中，生物材料入口和生物材料出口的位置与微通道芯片上所设生物材料入口和生物材料出口的位置对应且分别通过管道与微通道芯片上设置的生物材料入口和生物材料出口连通；工作液体入口和工作液体出口的位置分别与微通道芯片上所设槽型通道两端所在的位置相对应。[0021]进一步地，所述绝热外壳的中部设有一个隔板，隔板的中心开有一个尺寸与微通道芯片尺寸匹配的孔，该孔用于安放微通道芯片，隔板上与工作液体入口和工作液体出口相应的位置处分别设有镂空结构。
[0022]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0023](I)本发明的生物材料低温保存微通道芯片具有较高的降温和/或复温速率。电子散热、制冷等相关研究表明，微尺度下的多重热流体力学作用能产生极高的换热效能，相对现有池沸腾技术具有较大优势；此外，所保存样品在本发明系统中以薄膜形式存在，相对现有技术中的球体或圆柱体形式，在同样的样品体积下具有更大的有效换热面积，且热量传递的距离缩短。综合以上两方面，基于本发明的降、复温方法有望更有效地实现玻璃化低温保存所需的超高降、复温速率；
[0024](2)本发明的生物材料低温保存微通道芯片可灵活地实现不同的降温和/或复温速率并灵活的实现不同体积样品的低温保存。在本发明中，降温和/或复温过程中的热量传递主要集中在生物材料薄膜的厚度方向上，而液膜的厚度可由芯片中垫片的尺寸控制，因此通过选用不同尺寸的垫片，本发明可灵活实现不同的降温和/或复温温速率；另一方面，在控制液膜厚度的基础上改变其他两个方向上的尺度并不会影响样品的降复温速率；
[0025](3)本发明的生物材料低温保存微通道芯片对生物材料的保存为封闭式保存，有效避免生物材料的污染和损坏；
[0026](4)本发明的生物材料低温保存微通道芯片及生物材料低温保存装置主要基于微加工和MEMS工艺制作，适于大批量生产，并可与其他微流控系统集成，有效地提高处理过程的自动化水平，提高处理效率，并减小人因素造成的额外损伤。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为本发明实施例中的生物材料低温保存微通道芯片的分解结构示意图；
[0028]图2为本发明实施例中的生物材料低温保存微通道芯片的立体结构示意图；
[0029]图3为本发明实施例中的生物材料低温保存装置的立体结构示意图；
[0030]图4为基于本发明实施例中的生物材料低温保存装置的生物材料降温和复温仿真结果示意图。
【具体实施方式】
[0031]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0032]如图1所示，本实施例中的生物材料低温保存微通道芯片包括壁体11、12和一个环形垫片13，壁体11和壁体12夹持环形垫片13形成密闭微腔，壁体11上设有生物材料入口 111和生物材料出口 112，生物材料入口 11和生物材料出口 112均与密闭微腔相通，装配后的结构如图2所示。工作时，待保存的生物材料从生物材料入口 111进入密闭微腔，在密闭微腔空间的限制作用下，生物材料以液膜形式存在于密闭微腔内，由于液膜具有较大的比表面积，因此，采用本实施例的生物材料低温保存微通道芯片进行生物材料的低温保存时，容易获得较高的快速降温和/或快速复温速率，而且，还可以通过控制环形垫片13的厚度控制密闭微腔的高度，进而控制所形成的生物材料液膜的厚度获得理想的快速降温和/或快速复温速率。壁体11和壁体12的外表面上均设有若干个平行排列且长度与壁体长度相等的槽型通道14，槽型通道14的设置一方面减小壁体在降温和/或复温过程中的热阻作用，另一方面在于为工作流体如降温流体或复温流体提供流道，实现工作液体的循环降温或复温。以降温过程为例，降温时，将冷却流体，如液氮注入至槽型通道14的一端，进入槽型通道14的液氮在槽型通道14的导向作用下流至槽型通道14的另一端，在这一过程中，液氮在微通道芯片表面发生强迫对流和沸腾汽化，与微通道芯片内的生物材料间迅速进行热交换，而交换的生物材料的热量又被流动的液氮及液氮蒸汽迅速带走，如此循环往复，实现超高的降温速率。
[0033]为了保证生物材料的顺利注入，上述生物材料入口 111和生物材料出口 112优选设置于其所在壁体，即壁体11的两个对角上。
[0034]为了便于加工，本实施例中的槽型通道14的横截面的形状优选为矩形，当然也可以为半圆形，三角形等其他形状。
[0035]为了最大限度的降低成本，本实施例中的壁体11、12优选为常见的硅片或者金属片，环形垫片13的材质优选为常见的柔性高分子材料聚二甲基硅氧烷。
[0036]为了更好的实现槽型通道14对工作液体的导向作用，本实施例还提供了一种基于上述生物材料低温保存微通道芯片的具体的生物材料低温保存装置，如图3所示，该生物材料低温保存装置包括生物材料低温保存微通道芯片I和密闭的绝热外壳2，微通道芯片I水平固定于绝热外壳2的中央，绝热外壳2与微通道芯片I平行的一面21上设有工作液体入口 22、工作液体出口 23、生物材料入口 24和生物材料出口 25，其中，生物材料入口24和生物材料出口 25的位置与微通道芯片I上所设生物材料入口 111和生物材料出口 112的位置对应，生物材料入口 24通过管道与微通道芯片I上设置的生物材料入口 111连通；生物材料出口 25通过管道与微通道芯片I上设置的生物材料出口 112连通，使得生物材料可以从本实施例中的生物材料低温保存装置的绝热外壳2外直接注入微通道芯片I内。工作液体入口 22和工作液体出口 23的位置则分别对应于微通道芯片上I所设槽型通道14的两端所在的位置。
[0037]该生物材料低温保存装置的使用方法如下:
[0038](I)通过生物材料入口 24向微通道芯片I内注入待保存的生物材料；
[0039](2)待生物材料注满后，关闭生物材料入口 24和生物材料出口 25，然后，通过工作液体入口 22向绝热外壳2内注入工作流体如液氮；
[0040](3)降温完成后，将微通道芯片I从生物材料低温保存装置中取出并投入液氮罐，进行长期保存；
[0041](4)当需要复温时，将微通道芯片I重新固定置生物材料低温保存装置的绝热外壳2中，将工作流体如温水(约40°C)从工作流体入口 22处注入，通过温水在微通14内的单相对流换热作用实现微通道芯片I内生物材料的迅速复温。
[0042]为了便于微通道芯片I的固定，一种简单的实现方式是在绝热外壳2的中部设置一个隔板26，在隔板26的中心开设一个尺寸与微通道芯片I尺寸匹配的孔，用于安放和固定微通道芯片1，如图3所示，同时，为了便于工作液体流过微通道芯片I下表面的槽型通道，隔板26上还有两个镂空结构261和262，镂空结构261和262的位置与工作液体入口 22和工作液体出口 23的位置相对应；另一种实现方式可以通过在绝热外壳2的底部设置若干个支撑实现微通道芯片I在绝热外壳2内的固定。需要强调的是，微通道芯片I的固定方式并不局限于上述两种实现方式，其他具有相同功能的结构均落入本发明的保护范围。
[0043]一般生物材料的成分主要是水溶液。在添加低温保护剂后，生物材料的热物理性质接近于“水+盐+低温保护剂”三元溶液。进一步假设所用低温保护剂为EG，浓度为45%，则根据已知的溶液热物理特性可通过理论计算预测生物材料在本实施例中的生物材料低温保存装置中的降温和复温过程。设微通道芯片I的密闭微腔的高度为200微米，预测所得结果如图4所示。
[0044]由结果可见，在降温过程中，待保存生物样品可在0.042秒内通过危险温度区域(Danger Temperature Range, DTR),即最有可能发生结晶的温度区域,平均降温速率达LOXIO5oC /分钟以上；在复温过程中，待保存生物样品可在0.057秒内通过危险温度区域，平均复温速率达0.74X IO5oC /分钟。根据公开的文献资料，当前所用的标准微管法所能达到的降温速率约为2500°C /分钟，复温速率约为1300°C /分钟。对比表明，本发明能够实现超高的降复温速率，相对现有技术有较大性能优势，因此有望更有效地实现生物材料的玻璃化低温保存。
[0045]此外，本实施例中的生物材料低温保存装置可保存的生物材料样品体积可达毫升量级，如微通道芯片I长宽为IcmX lcm，则保存对象体积约为O?0.2ml，若微通道芯片I长宽为2cmX 2cm，则保存对象体积约为O?0.8ml，而现有技术保存对象仅为微升或纳升级，因此本实施例中的生物材料低温保存装置在待保存生物材料体积方面也具有较大优势。
[0046]本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种生物材料低温保存微通道芯片，其特征在于:包括两块壁体和一个环形垫片，两块壁体夹持环形垫片形成密闭微腔，其中一块壁体上设有生物材料入口和生物材料出口，生物材料入口和生物材料出口均与密闭微腔相通，两块壁体的外表面上均设有若干个槽型通道。
2.根据权利要求1所述的生物材料低温保存微通道芯片，其特征在于:所设槽型通道平行排列且长度与微通道芯片壁体长度相等。
3.根据权利要求1或2所述的生物材料低温保存微通道芯片，其特征在于:所述槽型通道的横截面呈矩形、半圆形或三角形。
4.根据权利要求1所述的生物材料低温保存微通道芯片，其特征在于:所述生物材料入口和生物材料出口分别位于生物材料入口和生物材料出口所在壁体的两个对角上。
5.根据权利要求1所述的生物材料低温保存微通道芯片，其特征在于:所述壁体为硅片或者金属片。
6.根据权利要求1所述的生物材料低温保存微通道芯片，其特征在于:所述环形垫片的材质为柔性高分子材料。
7.根据权利要求6所述的生物材料低温保存微通道芯片，其特征在于:所述环形垫片的材质为聚二甲基硅氧烷。
8.—种生物材料低温保存装置，其特征在于:包括权利要求1?7任一项权利要求所述的生物材料低温保存微通道芯片，还包括密闭的绝热外壳，所述微通道芯片固定于绝热外壳的中央，绝热外壳与微通道芯片平行的一面上设有工作液体入口、工作液体出口、生物材料入口和生物材料出口，其中，生物材料入口和生物材料出口的位置与微通道芯片上所设生物材料入口和生物材料出口的位置对应且分别通过管道与微通道芯片上设置的生物材料入口和生物材料出口连通；工作液体入口和工作液体出口的位置分别与微通道芯片上所设槽型通道两端所在的位置相对应。
9.根据权利要求8所述的生物材料低温保存装置，其特征在于:所述绝热外壳的中部设有一个隔板，隔板的中心开有一个尺寸与微通道芯片尺寸匹配的孔，该孔用来安装微通道芯片，隔板上与工作液体入口和工作液体出口相应的位置处分别设有镂空结构。
【文档编号】G01N1/42GK103674678SQ201310693603
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月17日 优先权日:2013年12月17日
【发明者】周晓明, 王洋, 苏友超 申请人:电子科技大学