胰岛分离器制冷系统方案设计

李开良

南京医科大学第一附属医院 临床医学工程处，江苏 南京 210029

引言

胰腺组织的移植，包括胰腺器官（胰腺）和胰岛细胞（胰岛）移植，已经被公认为是治疗Ⅰ型糖尿病的一个临床选择。成功的胰腺或胰岛移植相对于传统的外源性胰岛素注射疗法来说，可以达到一个正常或接近正常的血糖控制水平和糖化血红蛋白水平，而且还不会出现胰岛素疗法经常出现的严重的低血糖反应。与胰腺移植相比，成人胰岛细胞（胰岛）移植更加安全，手术简捷，并发症极少[1]。胰岛移植的成功的关键在于从供体中分离出纯度高、数量多、活力强的胰岛细胞。胰岛分离是一个复杂的过程，包含了胰腺组织在酶作用下的消化过程和利用腺泡和胰岛的密度差异进行离心分离提纯过程[2-3]。

1 细胞处理器（COBE2991）基本工作原理

利用美国金宝公司生产的COBE2991细胞处理器可从人类腺泡组织中提取胰岛细胞。COBE299l细胞处理器原本是设计用来洗涤和净化红细胞的仪器，主要由4部分组成：① 一个底部为塑料胶膜的离心盘，为安装离心袋的部位；② 液压装置，位于离心盘塑料胶膜下，可以挤压其上的胶膜以使位于离心袋内的液体流出[4]；③ 由仪器生产商生产的专用的一次性离心袋，为一圆盘状塑料袋，其一面的中心部位连一主管道及由主管道分出的几个管道，使用时安装在离心盘上，可以经管道加入纯化底物及排出纯化产物[5]；④ 控制系统，可以设置自动及手动模式，设置转速、时间及流出体积、速度等[6]。

2 细胞处理器现存问题

由于仪器工作过程中高速离心会产生大量的摩擦热，使离心袋内的温度升高，对胰岛分离产生不利影响（温度过高酶和细胞的新陈代谢速度过快，大大降低了胰岛的纯度、数量和活力），研究表明COBE 2991细胞处理器在室温超过29.4℃的环境中运行仪器可使离心袋内的温度超过40℃。因此为了提高胰岛的纯度、数量和活力应适当降低离心仓的温度。本文介绍了给COBE2991细胞分离机加装制冷系统的方法及效果[7]。

3 系统设计

COBE2991细胞分离机可选配内部带制冷系统，其制冷效果好且稳定，但价格较贵。我院购买的COBE2991细胞分离机不带内部制冷系统。为了提高胰岛分离效果，我们对其增加制冷系统。我们设计了两套改装方案：水冷系统和风冷系统。

3.1 水冷系统

参考许多设备的冷却系统，我们首先选择水冷系统，因其具有工作噪声小，制冷效果明显，工作成本低等优点。水冷系统的制冷原理是在细胞处理器的离心仓外壁缠绕散热铜管，作为热交换器，在铜管中通有循环冷却水，接到机器外部的循环低温恒温水浴箱，以达到给离心仓降温的目的，见图1。其在工作的过程中不需要破坏离心舱外部结构，仅需要将散热铜管紧密缠绕在离心舱外壁，通过降低离心舱外壁温度来达到离心舱内部空间温度的降低，其原理类似冷冻离心机[8-9]。但在实际操作过程中此方案存在两个问题：① 在离心仓外壁缠绕散热铜管需要专门工具，铜管不易贴合离心仓外壁，且需要拆卸机器，容易造成人为故障；② 当实验室内湿度较大时，散热铜管外壁容易形成大量凝结水滴落到机器内部，造成机器内部电路故障等严重后果[10]。因此放弃水冷系统，改由风冷系统。

图1 水冷系统原理图

3.2 风冷系统

许多工厂在给小范围环境进行降温时，通常会使用移动式冷风机进行降温。移动式冷风机的工作原理类似空调机，是把空调的室外机组和室内出风组合在一起的新型制冷系统。移动式冷风机在外部看有3个风口，分别为冷风出风口、热风出风口、进风口。进风口进风到机器内部，在热交换系统进行热交换，冷风和热风分别从各自出风口吹出，引冷风口的风即可达到风冷的效果。鉴于此，我们设计了另一种制冷系统即风冷系统，系统框图，见图2。

图2 风冷系统原理图

风冷系统方案的原理是利用移动冷风机吹出的冷风给离心仓降温。加工一块离心仓有机玻璃盖板（原装盖板留用），在加工的离心仓有机玻璃盖板上开两个直径为50 mm的进出风孔，两个孔分别和移动冷风机的冷风出风口、进风口相连。冷风机工作时产生的循环冷风不断给离心仓降温，以达到降温的目的。风冷系统可以直接将冷风吹到离心舱内，不需要通过离心舱外壁进行热交换，制冷效果较明显[11-12]。热风出风口通过层流间的回风通道通向层流间外，使热风不影响层流间（实验室内）环境温度[13-14]。

研究表明冷风机的冷风温度比环境温度低10℃～15℃，在实验室恒温25℃的情况下，可以使离心舱温度降低15℃以上，并且由于降温幅度不大，通风管道外壁及离心舱外壁没有冷凝水出现，够满足制冷需求。此方案实施简单，不改变细胞分离机内部结构，降低人为故障，离心仓内无冷凝水出现，并且能有效的降低离心仓温度，明显的提高胰岛分离质量与效果[15]。因此我们选择风冷方案对COBE2991细胞处理器进行制冷改装[13]。改装后实物图，见图3。

图3 风冷系统改造实物图

4 系统应用

利用移动式冷风机改装的制冷系统加装完成后，为了验证方案的可行，我们做了对比实验。验证季节为夏季，层流室内环境温度为25℃，相对湿度为60%。实验做3个对照组，每个对照组测得5组结果。3个对照组对照条件及结果，见表1。

表1 实验结果对照表（℃）

由实验结果可以发现，不使用制冷系统时测得离心仓内的温度随着离心机工作，温度不断升高，最终稳定在38℃左右。当使用制冷系统且COBE2991细胞处理器不工作时，测得离心仓内温度随着制冷系统的工作，不断降低，最终稳定在10℃左右[16]。当使用制冷系统且细胞处理器正常工作时，测得离心仓内温度随着机器工作，先是上升后下降，最终稳定在17℃左右。从以上对比实验可以看出，当COBE2991细胞处理器工作过程中使用制冷系统，可有效降低仓内温度，可以满足胰岛分离需要低温的要求[8]。使用Graph-pad-prism统计分析软件进行统计分析，得到统计分析柱状图，见图4。从图中可以看出，条件a与条件c的统计分析结果P＜0.01，差异具有统计学意义，进一步说明该方法的有效性。

图4 制冷系统使用前后a、b、c 3个条件下离心舱内温度统计柱状图

5 结论

我院实验室在使用加装制冷系统后的COBE2991进行胰岛分离，所分离胰岛的质量较之前大大提高，满足了临床的需求。此系统的安装不影响细胞分离器的内部结构，不影响细胞分离器的正常工作，且支出费用相对较低，成本仅需一台移动式冷风机和管道若干米。仪器使用过程中的改装前提是要在确保仪器正常功能不受影响，改装后应提高工作效率。

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