CN219923016U - 一种基于焦耳热的生物样本低温保存及快速复温芯片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种基于焦耳热的生物样本低温保存及快速复温芯片，属于低温保存技术领域，包括封装层和两层加热层，封装层设于两层加热层之间，中部设有用于封装生物样本的中间腔体，中间腔体于封装层一端设有连通外界用于添加样本的加料口，并设有用于密封的堵头，加热层包括基底层和加热片，加热片固定于背离封装的基底层的外表面，加热片背离所述加料口一端的端部设有金属触片，金属触片配合设有插槽，插槽设于控制器底座中部，控制器底座连接电源和控制***，控制***搭载于电子设备内，本实用新型芯片可以配合低压直流电源及控制***进行生物样本的可控、均匀、快速复温，并具有良好的生物相容性、优秀的机械强度和可操作性低压直流电源。
Description
技术领域
本实用新型属于低温保存技术领域，尤其涉及一种基于焦耳热的生物样本低温保存及快速复温芯片。
背景技术
低温保存是指将细胞或者组织放置在低温条件下进行长期保存，现代医学中，低温保存被广泛应用，特别是生殖医学、器官储运，细胞治疗、样本库建设等方面。深低温保存方法被认为是生物组织、细胞等生物材料最好的保存方式，它在生物样本库的建设方面具有非常重要的应用价值。低温保存后的快速均匀复温是目前限制低温保存后样本质量的一个关键问题。复温过程中冰晶的再生长及重结晶会造成生物样本的严重损伤。目前，37℃水浴复温是最常用的复温方式，但其升温速率较慢，升温速率不够快会导致反玻璃化现象，对生物样本产生致命的冰晶损伤。电流在导体中会电阻损耗，从而产生热量。电加热芯片中的加热片在低压直流电下可以提供最高约3.2×105℃/min升温速率。是实现样品高速复温的又一新方法。
目前研究的另一个重点是结合天然非渗透性保护剂的胞内递送等技术实现生物样本无DMSO的保存，但是这种保存方式在复温时同样面临重结晶带来的细胞损伤，结合电加热快速复温芯片的使用，可以进一步提高生物样本复温后的质量，无需像磁热复温及激光复温等技术在生物样本体系中引入纳米粒子等其他物质，避免对生物样本的潜在毒性以及后续繁琐的洗脱步骤，也无需复杂的设备。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种基于焦耳热的生物样本低温保存及快速复温芯片，其特征在于，包括芯片，芯片包括加热层和封装层，加热层为两层，封装层设于两层加热层之间；
封装层中部设有用于封装生物样本的中间腔体，中间腔体于封装层一端设有连通外界用于添加样本的加料口，加料口设有用于密封的堵头；
加热层包括基底层和加热片，加热片固定于基底层的表面，且加热片与封装层相对于基底层背离设置；
加热层背离加料口一端的端部设有金属触片。
进一步地，芯片为EHC芯片，EHC芯片的厚度为0.1-2mm。
进一步地，中间腔体的容积为大于0mL且小于等于3mL。
进一步地，基底层和封装层分别为耐高温的聚丙烯基底层和聚丙烯封装层，加热片为镍铬铝电阻片。
进一步地，EHC芯片配合设有控制器底座，控制器底座设有与金属触片相配合进行电连接的插槽。
进一步地，还包括还包括搭载于电子设备内的控制***，控制***包括相互配合的电源、按键、备用开关、开关电路和LED数码管驱动，并信号连接有单片机，单片机设于控制器底座内部，用于控制输入EHC芯片的电流大小、通电时间和电流波形。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果主要体现在：
1、本实用新型采用复合结构的EHC快速复温芯片，可以同时提供良好的生物相容性、优秀的机械强度，并可以配合低压直流电源进行生物样本的快速复温；采用高比表面积及超薄壁面的设计，在实现快速降复温的同时可以容纳毫升级的样品悬液，可实现生物样本的快速玻璃化保存。
2、本实用新型EHC芯片可以设计为0.1-2mm的不同厚度，从而实现对于不同体积生物样本的保存及快速复温，根据厚度的不同可以实现2300-3.2×
105℃/min的复温速率，这显著高于同等容积的其他冻存容器的复温速率。
3、本实用新型的控制***为自主设计的控制***，可以准确控制复温速率和复温终点，避免了传统冻存容器只能靠经验判断复温终点的弊端，并且可以根据样本需求，实现不同的复温速率。
4、使用本实用新型EHC芯片能够抑制慢速低温保存的复温过程中的重结晶现象，提高生物样本的慢速低温保存质量。
5、本实用新型设计了高比表面积、超薄壁面且可以实现自加热的EHC快速复温芯片，可以实现生物样本的大体积玻璃化保存，突破传统玻璃化容器的体积限制，为实现生物样本高质量保存提供新型方法。
附图说明
图1为本实用新型EHC芯片的结构图。
图2为本实用新型EHC芯片中封装层、基底层和加热片的结构示意图。
图3为与本实用新型EHC芯片相配合的控制器底座的样式图。
图4为本实用新型通过热电偶实际测定的EHC芯片复温速率与数值模拟数据的对比图。
图5为本实用新型控制***的电路示意图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本实用新型一种基于焦耳热的生物样本低温保存及快速复温芯片进行更详细的描述，其中表示了本实用新型的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本实用新型，而仍然实现本实用新型的有利效果，因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本实用新型的限制。
如图1和2所示，一种基于焦耳热的生物样本低温保存及快速复温芯片，该芯片由三层结构组成，总厚度为0.1-2mm，三层结构中，两个表层为加热层，加热层包括与封装层贴合设计的基底层4以及背离封装层，固定在基底层4外表面的加热片2。基底层4由耐高温聚丙烯制成，加热片2采用蛇形设置的1Cr13Al4电阻片，1Cr13Al4电阻片可以在低直流电的作用下高效产热。中间层为封装层，封装层同样采用耐高温聚丙烯制造，其中部设有中间空腔5，中间空腔5用以封装生物样本，如病毒、细菌、细胞、细胞团、组织，中间空腔5的容积大于0mL，小于等于3mL。
相应的，中间空腔5于芯片一端端部设有加料口6，加料口6与中间空腔3相连通，生物样本通过加料口6加至中间空腔5内。加料口6设置有堵头，堵头配合加料口6设置，用于密封中间空腔5。
相对于加料口6的另一端，设置在基底层4外表面的加热片端部设有金属触片3，金属触片3优选为银触片，金属触片3接通低压直流电，为加热片提供电力连接的途径，与其相对应的，参考图3，芯片配合设置有控制器底座，控制器底座连接电源，中部向内设有插槽，插槽与金属触片相配合，芯片可以***插槽中通过金属触片连接低压直流电。
参考图5，本实用新型基于焦耳热的生物样本低温保存及快速复温芯片的芯片为HIC芯片，还包括有控制***，控制***设置在电子设备内，信号连接有单片机，包括电源、开关电路、按键、备用开关、数码管驱动。单片机设于控制器底座内部，本实用新型可以通过电子设备操作控制***配合控制单片机精确调整输入EHC芯片的电流大小，供电时间，及电流波形，从而对EHC芯片的复温速率及复温终点实现精确控制。
本实用新型将电阻片相对于基底与封装层背离的设置方式，其用意是通过耐高温聚丙烯制成的基底以及封装层隔开电阻片和生物样本，避免电阻层的金属材料潜在的生物毒性以及电流对生物样本在成损伤的风险，此外，耐高温聚丙烯材料也保证了EHC芯片的机械强度。
实施例1
MSC细胞的冷冻实验，本实施例中的EHC芯片容积为2.8mL。
在4℃下，将MSC细胞在10％DMSO的DMEM溶液中平衡10min。然后将细胞悬液分为两份各1mL分别加入EHC芯片和1.5mL冻存管中，其中芯片为20mm宽，70mm长，2mm厚。将EHC芯片和冻存管分别转移至配套的程序降温盒以及商用的程序降温盒，放入-80℃冰箱过夜，然后转移至液氮中保存24h。冻存后的样品EHC芯片采用焦耳热快速复温，冻存管采用水浴复温。复温后利用AO/PI荧光染色分析冻存后细胞的存活率，结果见表1。
| 组别 | 存活率 |
| 新鲜组 | 99％ |
| 冻存管组 | 88.6％ |
| EHC芯片组 | 92.5％ |
表1低温保存MSC细胞复温后的存活率比较
结果显示EHC芯片组的细胞存活率显著明显优于冻存管组。
实施例2
通过COMSOL Multiphysics对EHC芯片复温过程进行建模分析，在保证复温均匀性的前提下获得的各体积EHC芯片所能达到的最快复温速率及所需功率，如表2所示。
表2不同容积EHC芯片的关键参数
结果显示0.28ml的EHC芯片可以达到高达3.2×105℃/min的复温速率，这比同体积麦管结合磁热或光热复温(～3000℃/min)所能达到复温速率高约两个数量级。1.12mL的EHC芯片可以达到约17500℃/min的复温速率，这是同等容量冻存管结合水浴复温(～160℃/min)所能达到复温速率的约100倍。这重复显示了EHC芯片的优越性。
实施例3
通过热电偶实际测定的EHC芯片复温速率与数值模拟数据的对比，测温采用安捷伦34972A测定，将T型热电偶固定在EHC芯片中心用以采集温度。结果如与4所示。图4说明了EHC芯片复温的实际复温速率，验证了数值模拟的可行性。
上述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不对本实用新型起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型的技术方案的范围内，对本实用新型揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本实用新型的技术方案的内容，仍属于本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于焦耳热的生物样本低温保存及快速复温芯片，其特征在于，包括芯片，所述芯片包括加热层和封装层，所述加热层为两层，所述封装层设于两层所述加热层之间；
所述封装层中部设有用于封装生物样本的中间腔体，所述中间腔体于封装层一端设有连通外界用于添加样本的加料口，所述加料口设有用于密封的堵头；
所述加热层包括基底层和加热片，所述加热片固定于所述基底层的表面，且所述加热片与所述封装层相对于所述基底层背离设置；
所述加热片背离所述加料口一端的端部设有金属触片。
2.根据权利要求1所述的基于焦耳热的生物样本低温保存及快速复温芯片，其特征在于，所述芯片为EHC芯片，所述EHC芯片的厚度为0.1-2mm。
3.根据权利要求1所述的基于焦耳热的生物样本低温保存及快速复温芯片，其特征在于，所述中间腔体的容积为大于0mL且小于等于3mL。
4.根据权利要求1所述的基于焦耳热的生物样本低温保存及快速复温芯片，其特征在于，所述基底层和所述封装层分别为耐高温的聚丙烯基底层和聚丙烯封装层，所述加热片为镍铬铝电阻片。
5.根据权利要求2所述的基于焦耳热的生物样本低温保存及快速复温芯片，其特征在于，所述EHC芯片配合设有控制器底座，所述控制器底座设有与所述金属触片相配合进行电连接的插槽。
6.根据权利要求5所述的基于焦耳热的生物样本低温保存及快速复温芯片，其特征在于，还包括搭载于电子设备内的控制***，所述控制***包括相互配合的电源、按键、备用开关、开关电路和LED数码管驱动，并信号连接有单片机，所述单片机设于所述控制器底座内部，用于控制输入EHC芯片的电流大小、通电时间和电流波形。
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