СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗМОРАЖИВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
METHOD AND DEVICE OF DEFROSTING BIOMATERIAL

Область техники
[001] Настоящее изобретение относится к нагревательному устройству, а более конкретно к системам и способам для размораживания биологического материала.
Уровень техники
[002] Различные биологические материалы типично хранятся при температуре ниже точки замерзания. Для длительного хранения клетки, пептиды или нуклеиновые кислоты могут храниться при -80°C, -20°C или в жидком азоте при -195°C. Кратковременное хранение может включать в себя температуры, равные или больше 0°C.
[003] Многие биологические эксперименты типично проводятся при температурах больше этих температур хранения. Например, эукариотические клетки часто растут при 37°C, в то время как для прокариотических клеток зачастую предпочтительны другие температуры.
[004] Традиционно, биологические материалы разделяются на аликвоты по пробиркам и замораживаются для хранения. Чтобы нагревать эти пробирки, человек будет в типичном случае брать каждую пробирку и помещать ее в ванну с горячей водой. Человек будет осторожно помешивать пробирку в ванной, чтобы гарантировать равномерный нагрев содержимого пробирки и завихрять биологический материал в пробирке. После некоторого времени человек будет убирать пробирку из ванны с водой и определять, достаточно ли оттаяло содержимое. После надлежащего размораживания биологический материал будет готов для использования.
[005] Существует несколько проблем с традиционными протоколами нагрева. Во-первых, высок шанс загрязнения, поскольку множество пробирок обычно помещается в одну и ту же водяную ванну. Чтобы гарантировать стерильность, пробирка типично протирается этаноловым раствором следом за удалением из водяной ванны. Однако вытирание может быть неполным, и загрязнения могут оставаться на пробирке или поверхности колпачка.
[006] Во-вторых, процесс нагрева может быть невоспроизводимым от пробирки к пробирке, поскольку операторы привносят изменчивость человеческого поведения. Времена нагрева, продолжительность завихрения, скорость завихрения и т.д., все могут значительно изменяться. Поскольку некоторые биологические материалы чувствительны к различающимся термическим градиентам, поперечным усилиям или интенсивностям перемешивания, может оказываться влияние на результаты экспериментов.
[007] В-третьих, отслеживание пробирок с помощью традиционных водяных ванн может быть затруднительным. Метки могут быть удалены теплой водой, и отметки на пробирках могут быть случайным образом удалены этиловым спиртом.
[008] Наконец, размораживание может не включать в себя равномерное рассеяние тепла. Если фрагмент материала оттаивает и не смешивается корректно, может происходить повторное замораживание. Повторное замораживание может вызывать повторную кристаллизацию и разрушение клеток. Улучшенное устройство размораживания должно быть оптимизировано, чтобы уменьшать неоднородное размораживание и повторную кристаллизацию. Соответственно, существует необходимость в системах и способах, чтобы более оптимальным образом размораживать биологические материалы.
Сущность изобретения
[009] Один вариант осуществления, согласующийся с принципами этого изобретения, является способом размораживания замороженного биологического материала. Этапы могут включать в себя задание целевой температуры для биологического материала и применение тепла к биологическому материалу посредством нагревательного устройства. Способ может также включать в себя управляемое перемещение нагревательного устройства в течение конкретного периода времени, при этом период времени определяется на основе целевой температуры, материала содержимого пробирки и объема содержимого.
[010] Другой вариант осуществления этого изобретения направлен на систему для нагрева биологического материала в сосуде. Система может включать в себя нагревательное устройство, сконфигурированное с возможностью передавать энергию сосуду, и основание, подвижным образом соединенное с нагревательным устройством. Система может также включать в себя процессор, сконфигурированный с возможностью принимать входные данные, ассоциированные с целевой температурой, и передавать сигнал, чтобы управляемым образом перемещать нагревательное устройство относительно основания в течение периода времени, при этом период времени определяется на основе целевой температуры и объема содержимого.
[011] Дополнительные варианты осуществления, согласующиеся с принципами изобретения, изложены в подробном описании, которое следует далее, или могут быть изучены посредством применения на практике способов или использования систем или изделий производства, раскрытых в данном документе. Понятно, что как упомянутое выше общее описание, так и последующее подробное описание, являются только примерными и объяснительными, а не ограничивающими изобретение как заявлено. Дополнительно, следует понимать, что другие варианты осуществления могут быть использованы, и что электрические, логические и структурные изменения могут быть выполнены без отступления от духа и рамок настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
[012] Сопровождающие чертежи, которые содержатся и составляют часть этой спецификации, иллюстрируют несколько вариантов осуществления изобретения и вместе с описанием служат, чтобы объяснить принципы изобретения.
На чертежах:
[013] Фиг. 1 иллюстрирует систему размораживания согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.
[014] Фиг. 2 иллюстрирует систему размораживания с открытой крышкой согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.
[015] Фиг. 3 иллюстрирует систему размораживания с открытым поддоном для воды согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.
[016] Фиг. 4 иллюстрирует покомпонентный вид системы размораживания согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.
[017] Фиг. 5 иллюстрирует вид верхней секции системы размораживания согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.
[018] Фиг. 6 иллюстрирует вид основания системы размораживания согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.
[019] Фиг. 7 иллюстрирует вид нагревательного устройства системы размораживания согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.
[020] Фиг. 8 иллюстрирует диаграмму, показывающую клеточную жизнеспособность от использования размораживающего устройства согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание вариантов осуществления
[021] Сейчас будет сделана ссылка в деталях на настоящие варианты осуществления изобретения, примеры которого иллюстрируются на сопровождающих чертежах. По возможности, одинаковые номера ссылок будут использоваться повсюду на чертежах, чтобы ссылаться на одни и те же или аналогичные части.
[022] Фиг. 1 иллюстрирует систему размораживания согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. Система может включать в себя основание и крышку. Основание может включать в себя одну или более поверхностей, сконфигурированных, чтобы принимать ввод оператора. Например, основание может включать в себя одну или более кнопок, таких как кнопка активации, кнопка паузы, кнопка первой целевой температуры, кнопка второй целевой температуры и переключатель извлекателя. Кнопка извлечения пробирки может способствовать извлечению пробирки из камеры размораживания.
[023] Как объяснено ниже, крышка может перемещаться, чтобы предоставлять возможность загрузки одного или более сосудов в систему. В некоторых вариантах осуществления система может быть сконфигурирована с возможностью принимать пробирку, содержащую биологический или химический материал.
[024] Биологический материал может включать в себя материал, полученный из биологического источника. Например, биологический материал может включать в себя клетки, пептиды, нуклеиновые кислоты, липиды и карбогидраты. Различные клетки могут быть организованы, чтобы производить различные естественные и искусственные биологические продукты. Клетки могут включать в себя эукариотические и прокариотические клетки, включающие в себя, например, стволовые клетки, бактериальные клетки, дрожжевые клетки и различные клеточные линии, полученные из биологических источников.
[025] Система может быть сконфигурирована с возможностью принимать одну или более пробирок различной формы и размера. Например, система может быть сконфигурирована с возможностью принимать пробирку Eppendorf, имеющую емкость 1,6 мл. Различные другие пробирки могут быть разморожены с помощью системы.
[026] Фиг. 2 иллюстрирует систему размораживания с открытой крышкой согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. Крышка может быть легковесной, например, пластиковой. Различные другие материалы принимаются во внимание. Крышка может поддерживать, в целом, закрытую среду и защищать пользователя от движущихся частей. Крышка может быть съемным образом соединена с основанием, чтобы предоставлять возможность оператору загружать одну или более пробирок в систему.
[027] Фиг. 3 иллюстрирует систему размораживания с открытым поддоном для воды согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. Поддон для воды может включать в себя выдвижной ящик для сбора жидкости, сконфигурированный с возможностью принимать жидкость, накопленную системой. Выдвижной ящик, или тарелка отбора дистиллята, может собирать конденсационную воду или протечку, предоставляя возможность чистой работы, как необходимо для асептического окружения, такого как чистое операционное помещение и хирургический кабинет. В некоторых вариантах осуществления выдвижной ящик может соединяться с возможностью скольжения с основанием, чтобы предоставлять возможность открытия и опустошения выдвижного ящика. В других вариантах осуществления система может включать в себя водопроводную трубу к водостоку или другому хранилищу, чтобы принимать нежелательную жидкость, накопленную системой.
[028] Фиг. 4 иллюстрирует покомпонентный вид системы размораживания согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. Система показана с крышкой, основанием, выдвижным ящиком для накопления и нагревательным устройством. В других вариантах осуществления один или более компонентов могут быть не включены в конструкцию, объединены с другими компонентами, или дополнительные компоненты могут быть добавлены в систему.
[029] Фиг. 5 иллюстрирует вид верхней секции системы размораживания согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. Верхняя секция может включать в себя крышку и один или более компонентов, сконфигурированных, чтобы принимать входные данные пользователя. В то время как показаны несколько кнопок, крышка может включать в себя другие пользовательские интерфейсы, такие как, например, чувствительный к касанию экран, клавиатуру или интерфейс с удаленным устройством. Крышка может также быть подвижным образом соединена с верхней секцией с помощью различных механических связей. Верхняя секция может также включать в себя один или более электрических компонентов системы. Например, процессор, память, пользовательский интерфейс, источник питания, модуль связи могут быть включены в верхнюю секцию. В других вариантах осуществления один или более электрических компонентов могут быть включены в основание или другую часть системы.
[030] Фиг. 6 иллюстрирует вид основания системы размораживания согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. Основание может включать в себя плату контроллера, выдвижной накопительный ящик и различные другие компоненты системы. Питание может подаваться от электросети. Потребление низкого напряжения может предоставлять возможность приведения в действие с помощью аккумулятора или переносного источника питания. Основание может также быть подвижным образом соединено с нагревательным устройством, как описано ниже.
[031] Фиг. 7 иллюстрирует вид нагревательного устройства системы размораживания согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. Нагревательное устройство может быть соединено с возможностью вращения с основанием или другой частью системы. Нагревательное устройство может быть сконфигурировано, чтобы управляемым образом перемещать пробирку или другой сосуд, содержащий биологический или химический материал.
[032] Фиг. 8 иллюстрирует диаграмму, показывающую клеточную жизнеспособность от использования размораживающего устройства согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. Полученные из плаценты адгезивные стромальные клетки (PLX-PAD) были разморожены в размораживающем устройстве следом за длительной криоконсервацией в жидком азоте (-195°C). Данные демонстрируют более высокую жизнеспособность с помощью размораживающего устройства, например, при скоростях перемешивания либо 180, либо 400 об/мин. Другие типы клеток, условия хранения, температуры нагрева и скорости перемешивания могут также обеспечивать улучшенную клеточную жизнеспособность по сравнению с типичным использованием водяной ванны среднестатистическим оператором. Система, таким образом, уменьшает ошибку оператора и непостоянство в размораживании множества образцов, улучшая воспроизводимость размораживания для групповой обработки.
[033] Различные механизмы нагрева могут быть использованы, чтобы передавать тепло биологическому материалу. Например, могут быть использованы электрорезистивный нагрев, микроволновой, ультразвуковой и другие способы нагрева. В некоторых вариантах осуществления система может включать в себя нагреватель воды, сконфигурированный с возможностью работать при одной или более конкретных температурах.
[034] Например, нагревательное устройство может включать в себя нагревательный блок, сконфигурированный с возможностью принимать одну или более пробирок различного размера и формы. Нагревательное устройство может иметь один или более датчиков, сконфигурированных, чтобы определять температуру. Например, нагревательное устройство может включать в себя два теплочувствительных зонда. Множество нагревательных зондов может быть использовано, чтобы уменьшать или устранять перегрев биологического или химического материала.
[035] В других вариантах осуществления IR-термометр может быть добавлен в систему, чтобы измерять температуру, ассоциированную с пробиркой или раствором, содержащимся в пробирке. Различные другие типы термометра могут быть использованы с системой.
[036] Нагревательное устройство может также включать в себя одно или более охлаждающих устройств, чтобы помогать в регулировании температуры. Например, нагревательное устройство может включать в себя два вентилятора, расположенных на противоположных сторонах нагревательного устройства.
[037] Нагревательное устройство может быть сконфигурировано, чтобы двигаться. Различные устройства для перемещения могут быть использованы с системой. Например, нагревательное устройство может быть оборудовано одним или более моторами, сконфигурированными, чтобы вращаться. Такой мотор может работать между 0-500 об/мин. Различные другие моторы могут быть изменены, чтобы обеспечивать различные скорости или профили скорости. Например, мотор может быть сконфигурирован с возможностью работать с постоянной скоростью или переменной скоростью.
[038] В некоторых вариантах осуществления мотор может иметь одну контрольную точку для каждого оборота. Контрольная точка может быть задана в HOME. Контроллер может вычислять скорость вращения мотора по времени, которое проходит между переходами контрольной точки. Управление скоростью может быть, по существу, рекурсивными скоростями предыдущих оборотов. Например, скорость следующего оборота может быть половиной скорости предыдущего оборота, четвертью скорости предшествующего вращения и т.д. Т.е., когда скорость становится ближе к целевой, поправки выполняются, чтобы она могла стать меньше.
[039] Система может также быть оснащена считывателем штрих-кода, который может идентифицировать серийный номер одной или более пробирок и хранить данные, ассоциированные с одной или более пробирками. Другие функции, основанные на информации штрих-кода, могут включать в себя разрешение приведения в действие, запрет использования, если у пробирки прошла дата истечения срока годности, запрет двойного размораживания одной и той же пробирки, прогрев устройства или предоставление калибровочной информации. Уведомление может быть сформировано на основе такой информации. Например, оператор может быть предупрежден о том, что пробирка является просроченной, ранее была разморожена, оставалась в устройстве слишком долго или была перегрета. Также предполагается, что штрих-код может задавать одну или более программ нагрева. Это может предоставлять возможность запуска различных программ для различных продуктов, заданных при производстве. Различные другие типы устройств, сконфигурированных, чтобы идентифицировать биологические материалы, также рассматриваются.
Работа размораживающей системы
[040] Система может быть сконфигурирована с возможностью работать с различными биологическими или химическими материалами. Например, система может включать в себя первую целевую температуру 4°C и вторую целевую температуру 25°C.
[041] Процедура размораживания системы может быть основана на автоматическом встряхивании пробирки, в целом, при постоянной температуре. Например, камера с регулируемой температурой может быть выполнена из алюминия. Нагрев может происходить в течение предварительно определенного периода времени. Температура устройства и скорость встряхивания, также как и время размораживания, могут регулироваться для того, чтобы соответствовать условиям размораживания для различных объемов и растворов.
[042] В некоторых вариантах осуществления система может включать в себя процессор или контроллер. Контроллер может быть сконфигурирован с возможностью принимать информацию от одного или более датчиков. Например, контроллер может быть сконфигурирован с возможностью работать с одним или более тепловыми датчиками, счетчиком времени, монитором скорости и считывателем штрих-кода. С помощью контроллера система может быть запрограммирована, чтобы следовать различным протоколам размораживания. Эти протоколы могут быть заданы оператором. Один примерный вариант осуществления излагается вкратце ниже, и другие протоколы также рассматриваются.
[043] Изначально, цикл размораживания может активироваться только после того, как нагревательное устройство достигло первоначальной температуры. Это может уменьшать влияние температуры комнаты и/или устройства на процедуру размораживания.
[044] Во время протокола размораживания контроллер может быть сконфигурирован с возможностью управлять скоростью встряхивания пробирки. Контроллер может также регулировать скорость перемещения пробирки, когда операция превышает границы скорости размораживания.
[045] Контроллер может также управлять температурой нагревательного устройства во время работы. Например, контроллер может регулировать температуру, когда операция превышает границы температуры размораживания. Система может включать в себя датчик, специально сконфигурированный с возможностью наблюдать за условиями в пробирке.
[046] Система может быть оснащена двумя температурными датчиками, расположенными с двух сторон нагревательного устройства или камеры размораживания. Дополнительно, контроллер может активировать два нагревательных элемента раздельно на основе температуры, измеренной каждым датчиком. Если измеренная температура ниже целевой температуры (например, 38°C), интенсивность нагрева может увеличиваться. Если целью является приближение к целевой температуре, интенсивность нагрева может уменьшаться. Когда один из температурных зондов достигает целевой температуры, нагрев может прекращаться в обоих нагревательных блоках. Если один из датчиков указывает температуру выше 39°C, устройство может начинать охлаждение до тех пор, пока более высокая температура из двух измеренных не упадет ниже 39°C.
[047] Когда система работает в диапазоне 38-39°C, может не происходить нагрева или охлаждения для того, чтобы экономить электричество.
[048] Система может быть сконфигурирована с возможностью формировать предупреждение, когда операция превышает параметры температуры размораживания или параметры скорости размораживания. Цикл размораживания может быть прекращен на основе температуры, ассоциированной с пробиркой, биологическим материалом, нагревательным устройством или другим показателем. Например, если присутствует IR-датчик, работа может быть завершена на основе температуры пробирки. В других вариантах осуществления время цикла может быть использовано, чтобы достигать более точной температуры размораживания.
[049] Система может также быть сконфигурирована с возможностью сохранять пробирку при управляемой температуре на различных стадиях в течение работы. Например, температура может поддерживаться более высокой или более низкой, чем температура размораживания в конце процедуры размораживания, до тех пор пока пробирка не будет извлечена для использования.
[050] Система может дополнительно быть сконфигурирована с возможностью активизировать цикл размораживания при обнаружении уникальной структуры штрих-кода. Система может, например, сравнивать обнаруженный штрих-код пробирки с базой данных устройства для того, чтобы предотвращать возврат пробирки. Другие действия могут быть основаны на различной информации идентификатора, такой как, например, информация, полученная с помощью считывателя метки ID.
[051] В некоторых вариантах осуществления в конструкцию может быть включен дисплей. Например, HMI-дисплей может быть добавлен для того, чтобы отображать параметры процесса размораживания или указания ошибок. Система может быть сконфигурирована с возможностью хранить информацию вплоть до 100 запусков, включающую в себя, например, ID-номер пробирки, продолжительность, дату, время и указания ошибок.
[052] Как указано выше, система может быть сконфигурирована с возможностью принимать, хранить и передавать различные данные, ассоциированные с биологическим материалом. Например, данные могут быть извлечены и импортированы из системы посредством сетевого соединения. Система может также быть запрограммирована, чтобы извлекать отчет, резюмирующий данные процесса размораживания.
[053] В некоторых вариантах осуществления система может быть задействована с помощью следующих этапов:
[054] 1. Открытие устройства посредством переключения заднего электрического переключателя во включенный режим.
[055] 2. Нажатие на переключатель активации или считывание штрих-кода.
[056] 3. Ожидание в течение 30 с для того, чтобы позволять камере предварительно нагреваться до 37°C, ожидая сигнал.
[057] 4. Нажатие на переключатель выталкивания крышки и открытие крышки.
[058] 5. Обеспечение того, что размораживающая камера отцентрирована.
[059] 6. Вставка пробирки в камеру посредством нажатия пробирки вниз.
[060] 7. Закрытие крышки.
[061] 8. Нажатие на кнопку "25°C" или запуск (автоматическая программа, заданная посредством идентификации штрих-кода).
[062] 9. Размораживающая камера начнет встряхиваться с предварительно определенной скоростью (об./мин.) в течение предварительно определенного времени размораживания.
[063] 10. В конце времени размораживания система выдаст уведомление и немедленно перейдет в режим ожидания.
[064] 11. Нажатие на переключатель выталкивания крышки, чтобы открыть крышку.
[065] 12. Нажатие на кнопку извлечения пробирки до тех пор, пока пробирка не будет взята руками, и извлечение пробирки.
[066] 13. Закрытие крышки.
[067] 14. Повтор этапов 4-12 для дополнительной пробирки, которая должна быть разморожена.
[068] В качестве примера, фиг. 8 иллюстрирует диаграмму, показывающую клеточную жизнеспособность от использования размораживающего устройства согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. Использование системы может приводить к более оптимальной жизнеспособности клеток после размораживания по сравнению с водяной ванной. Использование различных скоростей размораживания (об/мин) может иметь влияние на жизнеспособность клеток после размораживания. Данные, показанные здесь, были получены из 6 мл кристаллических пробирок (асептические технологии), заполненных 5,5 взвесью отмытых клеток, по 3 пробирки в каждой группе.
[069] Другие варианты осуществления раскрытия должны быть очевидными для специалистов в области техники из изучения технического описания и практического применения настоящего раскрытия. Предполагается, что спецификация и примеры рассматриваются только как примерные, при этом истинные рамки и объем открытия указываются посредством последующей формулы изобретения.