基于相变蓄冷技术的便携式离体样品储运装置的研制

彭胜华 尹惠玲 广东食品药品职业学院 （广州 510520）

0.引言

随着社会和经济的发展、环境和生活条件的变化，人们的生命不断面临疾病的严重威胁，越来越多的患者需要外体器官、组织、血液、体液（以下简称离体样品）的更换来维持生命[1～2]。但是，一方面离体样品资源严重匮乏，另一方面由于离体样品在储运过程中活性难以保持，利用率不高，造成离体样品这一本就稀缺的资源严重浪费，极大地制约了我国离体样品重新供人体所用并实现功能再现的成功率。

离体样品的保存方法通常有以下三种：低温冷藏、药物灌注和器官保存液[3～6]。但对于紧急情况下，如突发事件（突发事件出现的器官组织供体）、偏远地区采得的离体样品通常无法迅速得到很好的存放，而仅能采用普通的冷藏箱或某种隔热容器存放，但这些装置的卫生条件、温度控制都无法保证离体样品在存放和运输过程中的安全和有效性能，通常导致离体样品功能丧失甚至死亡。离体样品资源短缺和利用率不高现象已引起了世界各国科学家的持续关注，离体样品的有效保存和便携运输成了亟待解决的问题。

针对离体样品存储运输存在的迫切问题，本项目设计了可根据不同离体样品对温度要求的不同灵敏调节控制温度、湿度的便携式存储装置，该装置由离体样品储运箱和充冷装置组成，可拆分。储运箱由蓄冷释冷系统、温度控制装置、储存腔和相应维护功能等构成；依据离体样品的储运要求选择适当温度的相变蓄冷材料，经充冷装置或常规制冷设备充冷后，在对应配套功能的维护下实现对离体样品或相关物品的储存运输。

1.系统设计

迄今为止，所有脏器保存的有效方法都依赖于降低代谢的关键因素-低温[7]。一般当将器官从37 ˚C 冷却至 0˚C 时，能延长保存时间12～13个小时[8]。低温保存对离体样品的重要性已为世人所公认，对于不同样品又有不同的存储温度要求。我国严格规定全血及红细胞的保存温度为(4±2)˚C[9]，国际上规定为2～8˚C[10]。大量的临床数据显示，多数离体器官、组织的活性保持最佳温度为4 ˚C。此外，除减毒活疫苗和水痘疫苗应冷冻保存且应避免反复冻融外，绝大多数疫苗应保存在2～8˚C[11]。

1.1 系统设计思路

图1. 系统结构组成框图

利用蓄冷材料相变过程吸热和放热的技术原理，应用不同蓄冷材料具有不同相变温度的特性，研究开发适合离体样品储存的蓄冷热交换器的容量与结构；将相变蓄冷材料的热交换器置入并安装到储运设备（箱）内,经过充冷（可选用常规制冷设备充冷，也可用本项目开发的配套制冷系统充冷），蓄冷材料发生相变储藏冷量,在储存运输过程中，热交换器内的蓄冷材料通过热交换器吸收设备（箱）外界传导及热辐射等渗入箱内的热量，从而使设备（箱）内温度维持在蓄冷材料相变温度附近范围内。

1.2 系统结构设计

便携式设备由离体样品储运箱和充冷装置组成，可拆分。储运箱由蓄冷释冷系统、温度控制装置、储存腔和相应维护功能等构成；充冷装置包括冷源产生系统、高效蓄冷热交换器和输送管路。工作时依据离体样品的储运要求选择适当温度的相变蓄冷材料，经充冷装置或常规制冷设备充冷后，在相应配套功能的维护下实现对离体样品或相关物品的储存运输。结构组成框图如图1所示。

2.系统研制

2.1 蓄冷储能新型材料研制

利用材料在物相变化过程中，可从环境中吸收热（冷）量或向环境放出热（冷）量，从而达到能量储存和释放的目的，经过多次的实验，研发出相变温度范围可涵盖-2˚C～-40˚C 的相变蓄冷材料，共有5 个成熟的蓄冷剂配方，相变温度分别为-2˚C、-9˚C、-16˚C、-25˚C、-40˚C，供不同冷藏温度离体样品的选用。

2.2 蓄冷热交换器的研制

蓄冷热交换器总体要求具有存放蓄冷材料和充冷、放冷功能，可利用外部冷媒液进入循环对蓄冷材料充冷。基于不同蓄冷材料具有不同相变温度的特性以及蓄冷材料相变过程吸热和放热的技术原理,经多次试验设计和确定适合离体样品储存的蓄冷热交换器的容量与结构。设计与储运保温箱体相匹配的蓄冷热交换器，依据储运保温箱体冷藏温度确定内部存放蓄冷液的种类；依据储运保温箱体的热负荷确定蓄冷液的数量及交换器的容量和外传热面积；依据冷媒液和蓄冷材料的温度及要求充冷时间确定内部热交换器的传热面积；图2 是两种规格和形状的交换器。

2.3 储运箱体研制

结合运送离体样品的结构特点完成箱体整体设计，适应多层密闭循环特殊结构箱体的需求进行制造工艺选取，完成了产品的外壳、箱体图纸及加工模具设计，委托第三方进行外壳和箱体模具加工。储运箱的箱盖和箱体均由内层、保温层和外层构成，一次发泡成型；箱盖与箱体之间设有密封条；有可编程处理器、报警器和显示屏。依据容量设计尺寸，选用高保温性能材料制作保温层，根据蓄冷热交换器的尺寸及数量设计其固定机构。储运箱外观和内部结构如图3 所示。

2.4 充冷用低温制冷装置研制

依据一次充冷的热负荷及要求充冷时间设计制冷机组的制冷量和冷媒液保温箱体的容量；依据冷媒液体的工作温度设计机组的蒸发温度。

2.5 配套功能的研制

图2. 两种规格和形状的蓄冷热交换器结构图

图3. 储运箱外观和内部结构

依据特定离体样品血小板储存所需的配套功能，设计相关的附属部件。血小板的储存运输需要振荡功能，配套设计了能够满足要求（震荡幅度和频率）的振荡部件，该部件包括电机座、电动机、曲柄、滑块、设有滑道的摇杆和托盘，实现往复水平振动功能，其频率为60 次/min，振幅为30 mm。

3.系统技术指标

离体样品储存工作温度可在-25˚C～25˚C 范围内选择，温度误差±1˚C；离体样品储存腔体容积不小于2L；相变蓄冷储能材料无腐蚀、无毒性、膨胀率小于1%，可重复使用，相变点温度范围：2˚C～-40˚C；蓄冷储能材料一次充冷后，可维持箱内温度在蓄冷材料相变温度附近范围内的持续时间不少于24 小时；具有特定离体样品维护所需的功能（如离体血小板储运维护需具有一定频率和振幅的振荡功能）；适用环境温度-15˚C～+40˚C。

4.讨论

离体样品的便携式储存和运输一直以来是医学界普遍关注的问题，也是关系到器官移植、样本维护、特殊物品储存等的一个重要环节，更有助于解决偏远地区离体样品所面临的最大问题——储运问题。本研究设计的装置适用于脱离人体的器官、组织、血液和体液等样品的便携式储存运输，同时也可用于需要冷藏运送的各种疫苗、药品和食品等，具有充冷时间短、维冷时间长、温度调节控制简易、运行费用低、环保节能等特点，为离体样品或特殊制品存储和运输提供一种安全、便捷、经济、有效的方法，广泛适用于各级医疗机构，具有重大的社会意义和经济价值。

[1] 郭晓明. 器官保存研究进展及展望[J]. 医学研究生学报, 2011, 24(11): 1216-1221.

[2] 赵闻雨, 曾力, 朱有华. 器官移植技术新进展[J]. 中华移植杂志, 2011, 5(3): 233-236.

[3] 王光策，王锁刚，张翥等. 脑死亡器官捐献移植过程中的问题[J]. 中国组织工程研究与临床康复, 2011, 15(18): 3280-3283.

[4] 侯萍, 李剑平. 器官移植前保存的理论研究与临床应用[J]. 中国组织工程研究, 2012, 16(5): 895-898.

[5] 梁伟涛，Vitali Rusinkevich，臧旺福等. 含吡那地尔心脏保存液的供心保存效果[J]. 上海交通大学学报（医学版）,2011,7(31):927-931

[6] Yang Q, Peng J, Lu S,et al. Fabrication of a novel cartilage acellular matrix scaffold for cartilage tissue engineering. Zhong guo Xiu Fu Chong Jian Wai Ke Za Zhi. 2008, 22(3): 359-363.

[7] 孔庆豪，齐伟明，曾叶等. 医用生物材料的低温保存研究[J]. 低温与超导, 2011, 39(10): 17-19.

[8] Bclzer FO, ct al. Principles of solid-organ preservation by cold storage Transplantion 1988; 45:673.

[9] 世界卫生组织 血液和血浆的安全贮存，安全血液和血液制品。导言册，2002，40～52

[10] 中华人民共和国卫生部.临床输血技术规范，2000.

[11] CDC Recommendations for Storage and Handling of Selected Biologicals，November 2007

[12] 王小波，夏全刚，宋晓燕，刘宝林. 一种新型器官保存装置的设计[J]. 低温与超导, 2012, 40(4): 63-65.