专利名称：磁制冷低温冻存生物材料的方法
技术领域：
本发明属于低温制冷技术领域，特别涉及一种磁制冷低温冻存生物材料的方法，该方法将注有顺磁盐溶液的生物材料置入磁场的两磁极之间，通过控制磁场强度的变化来达到改变生物材料内外温度的磁制冷效应，对生物材料实施内外均匀的降温冻存。
低温生物医学是近年来新兴并得到迅猛发展的交叉学科，随着研究的深入，其在临床实践方面的应用引起了广泛的关注。冷冻保存医用生物材料并进行移植是当前低温医学中最活跃的领域之一。低温医用生物材料的低温冷冻保存包括血液细胞、造血细胞、生殖细胞的低温冷冻保存；皮肤、角膜、骨与软骨、心脏瓣膜和大血管、内分泌腺以及器官等的低温冷冻保存。
医用生物材料虽然可以在低温下长期保存，但在保存的过程中，对其降温和复温操作时，极易受到溶液冻结、融化，以及溶液渗透压力等因素作用而被损害。当前最迫切需要解决的技术难题便是如何对生物材料实施均匀的降温，以避免对生物材料造成严重或永久性的损伤。目前几乎所有的低温生物学家和低温技术专家都在朝着这个目标奋斗，其解决无疑会大大推进低温医学技术的进展。
生物材料低温冻存存在的关键难点是冻存过程中如何使生物材料降温均一，使生物材料表面与中心的降温、复温速率基本一致，尤其是生物材料深部的降温若不进行严格的质量保证，常难得到满意的效果。
目前，对生物材料的冷冻保存，一般采用的均是利用载有制冷剂如液氮、液氦等装置从生物材料表面对其实施降温，这种方法对生物材料来说，属骤然降温，生物材料内外降温速率不一致，容易对生物材料造成损伤；另外采用液氮、液氦对生物材料实施降温，需要增设盛装液氮或液氦的容器，如杜瓦瓶等，设备投资大，成本高，而且这种方法无法对生物材料实现复杂的降温程序，比如研究人员有时会希望对生物材料给以复温，这种方法则无法实现；目前，也有采用液氮蒸汽直接对生物材料进行喷射来实现对其降温冻存的方法，这仍属于对生物材料进行的局部降温，生物材料内、外降温速率的巨大差异往往会引起应力，对生物材料造成损伤。
本发明的目的在于克服上述对生物材料实施低温冻存方法中存在的诸多缺陷，提出一种概念崭新的对生物材料实施低温空间冻存的磁制冷低温冻存生物材料的方法，即方便地通过控制磁场强度的变化来达到改变生物材料内外冻存温度均匀的方法。
本发明的实施方案如下本发明提供的磁制冷低温冻存生物材料的方法，其特征在于，该方法的工艺步骤如下1)将粉状顺磁盐溶于生理盐水中制备浓度为80-90％的顺磁盐溶液；2)将顺磁盐溶液注入生物材料中待冻存的部位，顺磁盐溶液的注入量≤冻存材料的重量；3)将注有顺磁盐溶液的生物材料进行预降温，预降温后的温度为1-5℃；4)将经预降温后的生物材料置入磁场的两磁极之间，将磁场场强为1-10特斯拉的磁场迅速退磁或将生物材料移离磁场，便实现了生物材料的低温冻存；上述方法中所述的顺磁盐包括Cd、硝酸锑镁；步骤3)中所述的对注有顺磁盐溶液的生物材料进行预降温的方法为将注有顺磁盐溶液的生物材料直接置入制冷剂中进行预降温，其制冷剂为0℃的水；或直接对注有顺磁盐溶液的生物材料喷射液氮蒸汽、氦蒸汽进行预降温；为了避免磁场中磁体温度过高，可采用冷却水对磁体进行降温；本发明的方法可将注射针式温度传感器插入生物材料内，通过数据采集仪监测生物材料的温度，顺磁盐溶液由针式注射器注入生物材料待冷冻的部位；所述的磁场为线圈绕制而成的电磁场，采用计算机操作平台控制电磁场电源的电压；所述的磁场还可为永磁磁场或超导磁场。
磁制冷就是利用适宜的磁致冷材料(如顺磁盐)在磁场退磁的情况下迅速降温的情况来实施制冷的，即改变磁场强度会引起顺磁性介质的温度发生改变，用这种方法可以达到极低的温度，在氦稀释制冷机问世之前，磁制冷是达到1mK级温度的唯一方法(张祉佑，低温技术热力学，西安西安交通大学出版社，1991)。对绝热情况下的顺磁性介质来说，磁化则温度升高，退磁则温度降低。因而若将一定的顺磁盐注入到生物材料或器官中，则可通过磁场的控制实现对该部位的降温，这就是实施生物材料空间降温的原理。
磁制冷的效果取决于诸多因素，如顺磁盐的初始温度Ti和磁场Hi、顺磁盐的性质如居里常数Cc等，顺磁盐退磁后达到的温度Tf随这些性质而变。如在绝热退磁到零磁场(Hf＝0)的情况下，Ti越低、Hi越大，则达到的温度Tf越低。在Ti和Hi给定的情况下，顺磁盐的Cc值越大，则退磁后达到的温度越低，这可作为本系统选择顺磁盐的原则之一。原则之二是所选定的顺磁盐应不至造成对生物材料的毒性，并易于在复温后使用时除去。一般常用的几种顺磁盐有金属钆Cd、硝酸铈镁(2Ce(NO3)3·3Mg(NO3)2·24H2O)、铬钾明矾(Cr2(SO4)3·K2SO4·24H2O)及铁铵明矾(Fe2(SO4)3·8H2O)等，其中硝酸铈镁盐的制冷效果远远好于其余二者(张祉佑，低温技术热力学，西安西安交通大学出版社，1991)，而且目前已逐步有性能更好的磁致冷材料问世。
本发明提供的磁制冷低温冻存生物材料的方法，对生物材料的降温均匀、可靠，冷冻效果好，无损伤，而且方法简单易行，只需改变磁场大小，生物材料的温度便随之改变，响应连续性好，可以实现生物材料复杂的降温和升温程序，一般仅需有电源和常规的冷却剂即可实现对材料全区域的均匀降温和升温，适合于各大、中、小型医院及研究单位使用，对于推动低温生物医学技术的进步有重要意义。
下面结合附图和具体实施例进一步描述本发明。
附
图1为实施本发明的原理示意图；图2为磁体系统，由冷却水9和用于产生磁场的铜线圈10组成。
其中磁极(分别为N极和S极)1带温度传感探头21的针式注射器2生物材料(或器官)3冷却剂如氮蒸汽4盛装生物材料的器皿5 电源6计算机操作平台7 顺磁盐溶液8冷却水9 铜线圈10
温度传感器2的探头21如附图1所示，本发明提供的磁制冷低温冻存生物材料的方法，其特征在于，该方法的工艺步骤如下1)首先，将粉状顺磁盐8溶于生理盐水中制备浓度为80-90％的顺磁盐溶液，本实施例顺磁盐溶液浓度为90％(当然顺磁盐溶液浓度也可为80％、85％、88％等，其浓度的选定以冻存材料的大小和要求的冻存温度而定)；2)将顺磁盐溶液注入生物材料3中待冻存的部位，顺磁盐溶液8注入量≤冻存材料的重量，本实施例使用带温度传感探头21的针式注射器2，将其插入生物材料3内将顺磁盐溶液8注入生物材料3待冷冻部位；3)将注有顺磁盐溶液8的生物材料3进行预降温，降温后的温度为1-5℃；本实施例采用的降温方法为将注有顺磁盐溶液8的生物材料3直接置入制冷剂(0℃的冷却水)中进行预降温；本实施例采用的降温方法还可为直接对注有顺磁盐溶液8的生物材料3喷射氮蒸汽进行预降温，降温后的温度为1-5℃；4)将经预降温后的生物材料3置入磁场的两磁极(N、S极)之间，磁场场强一般为特斯拉，通过改变磁场强度的强弱，以实现生物材料3的低温冻存；本实施例使用的粉状顺磁盐为Cd(当然也可为粉状硝酸锑镁)；为了避免磁场中磁体1温度过高，可采用冷却水对磁体1进行降温(图中未示)；本发明的方法可通过数据采集仪监测生物材料的温度；可采用计算机操作平台控制磁场电源的电压大小。
实施低温冻存的程序根据生物材料(器官)3大小，将一定浓度的顺磁盐溶液8注入到生物材料(器官)3内，顺磁盐采用当前最具磁制冷效应且对生物材料毒害最小的材料如Cd(或硝酸铈镁)，其可作成粉状溶入生理盐水中成为注射溶液，顺磁盐溶液8中顺磁盐浓度一般在80-90％，由针式注射器(本实施例采用带温度传感探头21的针式注射器2)将顺磁盐溶液8注入生物材料(器官)3中待降温部位，同时，生物材料表面由制冷剂配合如喷氮蒸汽4进行表面降温，之后将盛装有生物材料3的器皿5置入磁场的两个磁极(N、S极)之间，通过计算机操作平台7调节控制磁场电源6的电压大小，由此实现的磁场变化即可进行顺磁盐溶液8的加磁及退磁操作，通电加磁时，温度上升，退磁时，则生物材料3温度降低，同时，生物材料表面采用制冷剂如喷氮蒸汽4进行表面降温，由此可实现不同的变温要求。退磁或加磁时，开通数据采集仪，记录下所测试基底温度，然后通过控制磁场电源6调整电压大小，从而实现不同的降温程度。对于未注入顺磁盐溶液8的部位，其对外界磁场的变化不敏感，由此即可实现对生物材料3有选择性的定位降温，这是相当有意义的。其变温情况随控制条件而变。磁场磁体1可采用常规磁体或超导磁体，也或者如附图2所示的由铜线圈10绕制成的电磁体，并采用冷却水9冷却。一般退磁装置采用超导磁体可以达到较小的功耗，磁场强度可以较高，且价格较低，但其在调整磁场方面并不方便。而永磁体也有这样的不足。所以，本实施例的磁体1选用如图2所示的由铜线圈10绕制成的电磁体1，所选用磁体1的磁场强度为1-5特斯拉以上，以尽可能获得较大的降温能力。
其退磁降温的一般操作过程如下1.将生物材料3送入两个磁极1之间，通过外部磁场的变化进行顺磁盐8的加磁及退磁操作，从而实现不同的变温要求；2.待生物材料3降至一定温度时，提高磁场1强度，使顺磁盐8在等温条件下磁化，磁化过程中要产生一定的热量，会使生物材料3有一定程度的升温；3.迅速令磁场强度降低到零(或将生物材料从磁场中移走)，使顺磁盐8退磁，其温度随之降低。若此时又迅速加磁，则顺磁盐8温度则随之升高。由此，根据需要通过改变磁场的强度可实现对生物材料3的降温和升温，而达到从外部进行均匀降温的目的。
有时，为实现连续降温，要采用连续工作的磁场控制方式，步骤为1.预先将生物材料3中的顺磁盐溶液8维持在一定温度Ta，然后在保持该温度Ta不变的情况下，将磁场强度提高到HB，使顺磁盐溶液8等温磁化，这一过程产生的磁化热传给生物材料，并由冷却介质带走；2.使磁场强度HB在接近绝热(因过程速度较快)的情况下降低到HC，则顺磁盐溶液8绝热退磁，其温度相应降低到TC；3.在保持TC为定值的情况下进一步降低磁场强度，使顺磁盐溶液8等温退磁，过程一直进行到磁场为零(HD＝0)，在这一过程中顺磁盐溶液8将向低温生物材料3吸取热量，从而使生物材料3继续降温；4.在绝热条件下将磁场强度提高到HA，顺磁盐溶液8被初步磁化，温度升高到Ta。在这一过程中顺磁盐溶液8同外界没有热量交换，但为使顺磁盐溶液8极化，磁场要对它作功，循环往复，连续不断进行，即可将生物材料3温度降低。
最后，应该指出，本发明的方法对生物材料进行的空间致冷与一般冷却方式相比有很多优点，如无损伤性，材料深部以至材料全区域的变温是均匀定向且有选择性的，并只需根据材料部位注射不同浓度的顺磁盐溶液8即可实现这一目标。这对于低温保存极具意义。
权利要求
1.一种磁制冷低温冻存生物材料的方法，其特征在于，该方法的工艺步骤如下1)将粉状顺磁盐溶于生理盐水中制备浓度为80-90％的顺磁盐溶液；2)将顺磁盐溶液注入生物材料中待冻存的部位，顺磁盐溶液的注入量≤冻存材料的重量；3)将注有顺磁盐溶液的生物材料进行预降温，预降温后的温度为1-5℃；4)将经预降温后的生物材料置入磁场的两磁极之间，将磁场场强为1-10特斯拉的磁场迅速退磁或将生物材料移离磁场，便实现了生物材料的低温冻存。
2.按权利要求1所述的磁制冷低温冻存生物材料的方法，其特征在于，所述的顺磁盐包括Cd、硝酸锑镁。
3.按权利要求1所述的磁制冷低温冻存生物材料的方法，其特征在于，将带温度传感探头的针式注射器插入生物材料内，将顺磁盐溶液注入生物材料待冷冻的部位；
4.按权利要求1所述的磁制冷低温冻存生物材料的方法，其特征在于，步骤3)中所述的对注有顺磁盐溶液的生物材料进行预降温方法为将注有顺磁盐溶液的生物材料置入制冷剂进行降温，所述的制冷剂为0℃的冷却水。
5.按权利要求1所述的磁制冷低温冻存生物材料的方法，其特征在于，步骤3)中所述的对注有顺磁盐溶液的生物材料进行预降温方法为直接对注有顺磁盐溶液的生物材料喷射液氮蒸汽、氦蒸汽进行降温。
6.按权利要求1所述的磁制冷低温冻存生物材料的方法，其特征在于，步骤4)中所述的磁场为线圈绕制而成的电磁场，采用计算机操作平台控制电磁场电源的电压。
7.按权利要求1所述的磁制冷低温冻存生物材料的方法，其特征在于，步骤4)中所述的磁场为永磁磁场。
8.按权利要求1所述的磁制冷低温冻存生物材料的方法，其特征在于，步骤4)中所述的磁场为超导磁场。
9.按权利要求1所述的磁制冷低温冻存生物材料的方法，其特征在于，采用冷却水对磁场的磁体进行冷却降温。
10.按权利要求1所述的磁制冷低温冻存生物材料的方法，其特征在于，将带温度传感探头的针式注射器插入生物材料内，通过数据采集仪检测生物材料的温度。
全文摘要
本发明涉及低温制冷技术领域中的磁制冷低温冻存生物材料的方法:将顺磁盐溶液注入生物材料中待冻存的部位,经预降温后,置入磁场两磁极之间,升高磁场强度后,迅速退磁或将生物材料移动离开磁场,便实现生物材料的低温冻存;该方法具有降温均匀、无损伤,简单易行,只需改变磁场强度,生物材料的冻存温度便随之改变,响应连续性好,适合于各大、中、小型医院及研究单位使用,对于推动低温生物医学技术的进步有重要意义。
文档编号F25D11/04GK1355406SQ0013229
公开日2002年6月26日 申请日期2000年11月28日 优先权日2000年11月28日
发明者刘静, 罗二仓, 周一欣, 吴剑锋 申请人:中国科学院低温技术实验中心