[发明专利]冷冻保存设备和方法

说明书

提供包含非牛顿流体作为冷冻保存介质的用于防止在生物样品中形成冰晶的设备。设备可用来通过改变非牛顿流体的粘度来防止在生物样品的冷冻保存期间或在冷冻保存的生物样品的升温期间形成冰。设备(200)包括：用于容器(212)的壳体(202)，该容器(212)包含生物样品(214)和非牛顿流体；以及用于引起冷冻保存介质的粘度上的改变的装置(204)。可通过引起冷冻保存介质的剪切增稠来增加粘度上的改变，或可通过引起冷冻保存介质的剪切稀化来减小粘度上的改变。可能的粘度改变装置包括敲打装置、活塞、旋转装置、压缩装置、声音生成装置、永磁体或电磁场生成装置。设备还可包括温度控制装置。

技术领域

本发明大体上涉及用于防止在生物样品的冷冻保存期间或在冷却/冷冻保存的生物样品的升温期间形成冰的设备、方法和系统。特别地，本发明提供包含(contain)非牛顿流体作为冷冻保存介质的用于防止在生物样品中形成冰晶的设备。

背景技术

通常需要保存生物材料(例如，细胞、疫苗、组织和蛋白)。例如，生物材料可需要保存，使得它们可在以后的时间点研究或用于科学实验中。在另一示例中，人类卵母细胞或受精胚胎可保存为体外受精(IVF)过程的部分。在这些示例中，重要的是，保存生物材料使得最大限度地减小对生物材料的损害(damage)或生物材料的降解。冷却技术通常用来保存生物材料。存在不同方式来冷却生物材料以便保存它们。例如，冷冻保存是其中将生物材料冷却到非常低的温度(例如-80℃或-196℃)且然后以冷却状态存储的过程，而冷冻干燥(冻干)是其中冷冻生物样品且在冷冻步骤之后从样品去除水使得样品以干燥状态存储的过程。

冷冻保存是广泛采用的技术，其用来维持生物样品的长期活力(viability)，以用于随后在医学、生物技术和兽医学中的应用。为了在使冷冻保存的样品升温时获得高的活力，在冷冻保存过程期间有必要向生物样品添加防护性化合物(也称为防冷冻添加剂)且然后以受控速率冷却样品。冷冻保存大体上涉及将样品冷却到非常低的温度(例如-80℃、-136℃或-196℃)且在该温度下在延长的时段内维持它们。通过将生物样品冷却到低温，另外将降解样品的化学或酶促反应的动力学减慢到一定程度，使得样品不再降解或仅以非常缓慢的速率降解。结果，生物样品可在延长的时段内存储，且然后根据对于使用和/或分析的需要被带回到环境温度。

然而，冷却过程可对生物样品具有有害影响，且为减轻这些影响，开发了用于冷冻保存的许多技术，虽然所有的这些技术具有固有的局限性。传统的冷冻保存技术涉及受控冷却且导致冰晶的形成。备选的无冰技术(玻璃化)避免在冷却期间形成冰晶，且改为涉及将水固化成非晶玻璃。

在冷冻保存过程期间对生物样品的损害主要发生在冷却/冷冻阶段和升温阶段期间。溶液影响、细胞外冰形成、细胞内冰形成、膜影响、溶质毒性和脱水都可导致样品损害。这些影响中的一些可通过在冷冻保存周期期间引入带有已知防护性影响的化合物来减小。在冷冻保存期间带有防护性影响的化合物被称为防冷冻剂或防冷冻添加剂(CPA)。

存在生物样品在冷冻保存期间可遇到的各种应力，这些应力以及它们在细胞级别上的影响的示例包括：i)温度上的降低–可潜在地引起膜脂质相上的改变和/或细胞骨架的解聚；ii)溶质浓度上的增加，例如，在溶剂的一部分冷冻时溶液中溶质的浓度增加–可导致渗透收缩；iii)离子浓度上的增加–可具有对膜的直接影响，包括膜蛋白的增溶作用；iv)脱水–可引起脂质双层的不稳定；v)盐的沉淀和共晶形成–可引起细胞损害(虽然未充分理解机理)；vi)气泡的形成–可引起机械损害；vii)粘度上的增加–可影响包括渗透的扩散过程；viii)pH改变–可引起蛋白等的变性；以及ix)细胞变得紧密地堆积–可引起膜的损害。因此需要最大限度地减小生物样品对这些各种应力的暴露的冷冻保存技术。