用于防止因冷冻含生物材料的水溶液导致的容器损坏和破裂的隔热件

技术领域

本公开涉及用于冷冻、运输、储存和解冻生物材料水溶液的系统，特别是用于化学和制药工艺中的生物材料。特别地，本公开涉及隔热件以防止不受控制的冷冻和容器损坏或破裂。

背景技术

生物材料以大批量工业生产，然后根据需要储存以供后续使用，这种方式提供了极大的管理灵活性。在许多情况下，生物材料都是以水溶液形式获得的，将其冷冻保存主要有两个目的：增加产品的保质期以及便于其运输。通常，将生产的批次分成较小量并放置在瓶、广口玻璃瓶和袋中以进行储存、运输、冷冻和解冻。然而，在低温下冷冻、处理和运输容器存在若干风险，例如生物材料的降解和/或容器破裂。

目前，生物材料的冷冻涉及将包含生物材料的容器(瓶和/或广口玻璃瓶)放置在柜或卧式冷冻柜中，并使生物材料冷冻。在其它技术中，将封装有生物材料的可模制容器(袋)放在柜或卧式冷冻柜中的固体或线框架子上。然而，在当前配置的这种冷冻技术中存在问题。

在低温下，容器的塑料材料的物理性质可能改变，从而导致其易碎，因此可能降低容器吸收外力(即，冲击)而不破裂的能力。而且，容器内部冰的体积膨胀可能引起显著的机械应力，导致容器、管或连接器破裂。此外，通过对流和辐射在容器顶部的热传递也可能导致冰壳形成，包括形成在液体的顶部处的冰层上、在空气界面处、在容器的顶部空间区域中，这会促进低温浓缩和增加容器中的压力，并因此导致其损坏或破裂。

容器完整性的破裂或损坏是不希望的，因为这会损害无菌性或导致生物材料的污染、泄漏或损失。储存和运输过程也存在一些危害风险，因为一种风险在于处理之前进行冷冻过程的易碎容器，这可能损坏或引起机械故障。尽管已公知当前可用的容器和冷冻技术不能充分保护冷冻产品，但是制药行业还没有充分记载在冷冻过程期间发生容器的损坏。

已经公开了用于冷冻、储存和运输包含生物材料的可模制容器的系统和方法，以保护此类容器免于损坏或机械故障。例如，文献US7104074B2公开了一种用于冷冻、解冻、运输和储存生物制药材料的系统，该系统包括容器、支撑结构、温度控制单元和运输车。支撑结构配置为支撑生物制药材料的容器，并且运输车包括配置为容纳诸如框架的支撑结构的通道。框架配置为在竖直位置容纳和支撑袋子。而且，文献US9301520B2公开了一种用于冷却、冷冻、保存、处理和解冻生物药物材料的系统。该系统包括可模制容器，其配置为包含生物制药材料并且由诸如支架的支撑和/或保护结构支撑。支架可以具有枕头形状，并充当保护器、支撑结构或框架，用于在生物药物材料的填充、运输、储存和/或冷冻期间支撑可模制容器。文献WO2018129576A1还涉及一种用于运输液体的可模制容器的壳体，该壳体至少部分地涂覆有弹性泡沫。

尽管已经有在冷冻、运输、储存和解冻过程中保护可模制容器(主要是袋)的系统和方法，但是这些系统不能避免在容器顶部的热传递问题，这导致冰壳形成，其导致低温浓缩并增加容器中的压力，从而导致容器损坏或破裂。而且，尚不存在能够避免在诸如包含生物材料的瓶和/或广口玻璃瓶的刚性容器中发生此类问题的系统。本公开旨在解决上述问题。

发明内容

本公开披露了一种用于冷冻或解冻生物水溶液的装置，该装置成形为适合容器顶部，包括：

包含隔热材料的外壁和内壁；

包含相变材料的内腔；

其中腔位于内壁和外壁之间；

用于容纳容器的凹部(凹槽，recess)；

其中相变材料的冷冻温度基本上接近生物水溶液的冰点，优选地在接近生物溶液中的一种的冷冻温度至高于生物溶液的冰点的10％的范围内，减少和/或防止溶液表面上形成冰壳。

在另一个实施方式中，本发明公开了一种装置，其中内壁和外壁是连续的，从而形成单个单元。

在另一个实施方式中，本发明公开了一种装置，其中相变材料是纯液体或液体混合物，优选地具有-5℃至5℃、更优选地-5℃至0℃的冷冻温度。

在另一个实施方式中，本发明公开了一种装置，其中内壁还包括可模制隔热材料。

在另一个实施方式中，本发明公开了一种装置，其中内壁的隔热材料是可模制的，以在容器开口上方形成气密密封。

在另一个实施方式中，本发明公开了一种装置，其中内壁和外壁的隔热材料是不同的。

在另一个实施方式中，本发明公开了一种装置，其中内壁和外壁的隔热材料包括低热导率材料。

在另一个实施方式中，本发明公开了一种装置，其中内壁和外壁的隔热材料包括小于0.5W m

在另一个实施方式中，本发明公开了一种装置，其中内壁和外壁的隔热材料是塑料或聚合物，例如聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚乳酸或其组合。

在另一个实施方式中，本发明公开了一种装置，其中内腔中的相变材料的体积不大于生物水溶液的体积的50％。

在另一个实施方式中，本发明公开了一种装置，其中内腔中的相变材料的体积不大于生物水溶液的体积的20％。

在另一个实施方式中，本发明公开了一种装置，其中相变材料是水、水和乙二醇的混合物、水和氯化钠的混合物、水和乙醇的混合物、它们的组合以及其它溶液。

在另一个实施方式中，本发明公开了一种装置，其中相变材料还包括成核剂，例如碘化银的细颗粒、碘化铅的细颗粒或其组合。

在另一个实施方式中，本发明公开了一种装置，其中可模制材料是弹性或软材料，优选地是挤出的聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、聚氯丁二烯或丙烯腈丁二烯橡胶或其组合。

在另一个实施方式中，本发明公开了一种装置，其中该装置配置为覆盖容器的顶部，优选地生物水溶液高度的20％。

在另一个实施方式中，本发明公开了一种装置，其中该装置配置为覆盖瓶、小瓶、管、袋或类似物的顶部。

在另一个实施方式中，本发明公开了一种套件(kit)，其包括：

本发明的冰壳衰减器装置，其配置为放置在可模制容器的顶部中的室的腔内，优选地与容器的上表面接触。

以及用于容纳可模制容器的支架。

在另一个实施方式中，本发明公开了一种套件，其中支架由具有低热导率的塑料、聚合物或其它材料制成。

在另一个实施方式中，本发明公开了一种套件，其中支架包括由金属、合金或高热导率聚合物制成的一个或多个表面，优选地由热导率高于0.5W m

在另一个实施方式中，本发明公开了一种装置，其中凹部是竖直的，其配置为容纳在小体积的柔性容器中的生物水溶液。

附图说明

当结合附图阅读时，根据以下详细描述，本公开的这些和其它目的、特征和优点将变得明显。

图1a是没有根据本公开的冰壳衰减器装置10时冻结的固定形状容器20的截面视图。

图1b是具有根据本公开的冰壳衰减器装置10时冻结的固定形状容器20的截面视图。

图2示出了在没有根据本公开的冰壳衰减器装置10的冷冻过程期间瓶内部的压力增加。

图3是根据本公开的固定形状容器20和冰壳衰减器装置10的正视图。

图4是根据本公开的固定形状容器20和冰壳衰减器装置10的侧视图。

图5是根据本公开的固定形状容器20和冰壳衰减器装置10的示意性截面视图。

图6是根据本公开的冰壳衰减器装置10的示意性截面视图。

图7是根据本公开的冰壳衰减器装置10的顶视图。

图8是根据本公开的另一种冰壳衰减器装置40的正视图。

图9a是根据本公开的具有支架500的另一种冰壳衰减器装置40的正视图。

图9b是根据本公开的用于容纳可模制容器30的支架500的正视图。

图10a是根据本公开的具有热传递底部702的另一种支架700的正视图。

图10b是根据本公开的具有热传递底部702的另一种支架700的截面视图。

具体实施方式

在本节中，将描述本公开的目的和所提出的实施方式的操作的原理。

如上所述，在冷冻过程期间，许多变量促使容器破裂或损坏，这会导致生物材料的降解或损失。本公开描述了旨在解决上述问题的用于冷冻、运输、储存和解冻生物材料水溶液的装置。

观察到冷冻过程中的主要问题之一是由于在容器顶部对流和辐射(散热，radiation)而产生的热传递，因而在液体的顶部处的空气界面处、在容器的顶部空间区域中会形成冰壳(图1a)。冰壳定义为在液体表面和空气界面上形成的厚冰层，通常以“锥形”形状为特征(图1a)。如图2所示，这种冰壳导致容器中的压力增加，因此导致其损坏或破裂以及生物材料的损失。

我们在此公开了为了在容器中冷冻生物材料水溶液时避免这种问题，有必要在容器的顶部配备隔热件，该隔热件具有耐热性或具有受控的加热以将容器顶部保持在隔热条件下，避免顶部冰壳的形成，如图1b所示。

因此，本公开披露了一种系统，其允许改善生物材料水溶液的冷冻过程，避免冰壳形成和容器内部压力增加的问题，同时防止低温浓缩和容器的损坏或破裂。

在图3和图4所示的示例性实施方式中，示出了安装在用于冷冻、运输、储存和解冻生物材料水溶液的固定形状容器20上的冰壳衰减器装置10。该系统包括冰壳衰减器装置10，其配置为附接到包含生物材料水溶液的固定形状容器20的顶部空间201。

生物材料可以包括蛋白质、氨基酸和肽制剂、DNA、RNA和核酸溶液、细胞悬浮液、组织悬浮液、细胞聚集体悬浮液、细胞生长培养基、血清、生物制品、血液制品、保存液、发酵液(fermentation broths)、以及具有或不具有细胞的细胞培养液、上述以及它们的部分的混合物。

在本公开中，配置为包含生物材料水溶液的固定形状容器20可以采用多种形状和结构特征，例如瓶或广口玻璃瓶。这种固定形状容器20在倒空时应保持其形状，并且在装有产品时不会显著变形。所述固定形状容器20可以由刚性且生物相容的材料制成，以促进与生物材料的相容性。例如，刚性材料可以是玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚酯、聚酰胺、聚丙烯、乙烯-乙烯醇共聚物、聚偏二氟乙烯、聚氯乙烯，以及包含上述的共聚物、混合物或层压材料。所述固定形状容器20可以在尺寸和容积上变化。在一个优选实施方式中，固定形状容器20的容积在约10mL至约20L范围内，优选在约2L至约20L范围内，更优选在约2L至约10L范围内。配置为包含生物材料水溶液的所述固定形状容器20可以包括顶部空间区域201和一个盖200。所述盖200可以采取几种形式，具有至少一个带有管202的口(端口，开口，port)，用于无菌填充和排气操作。

图5所示的实施方式包括具有耐热性或受控加热的冰壳衰减器装置10，其配置为附接到固定形状容器20的顶部空间201。冰壳衰减器装置10的主要目的是防止冰壳的形成，该冰壳的形成导致容器内部的压力增加，并因此导致其损坏。因此，冰壳衰减器装置10具有两个主要功能，其允许实现期望的效果(不形成冰壳，避免容器的损坏)：a)通过辐射消除液体界面处的热损失和b)通过外部隔热和特定体积的相变材料(PCM)，不让容器顶部空间201中的空气在冷冻期间发生冷却。冰壳衰减器装置10配置为附接到具有限定容积的固定形状容器20的顶部空间201区域，以覆盖顶部空间201区域并且优选地生物材料水溶液的总高度的20％。

在图6所示的实施方式中，冰壳衰减器装置10具有由隔热材料101制成的外壁，例如塑料、聚合物或具有低热导率的其它材料。优选地，隔热材料101可以是热导率小于0.5Wm

在一个实施方式中，相变材料(PCM)优选是具有与生物材料溶液中的一种相同的冷冻温度的纯液体或液体混合物，其通常为-5℃至0℃。例如，PCM可以是水和乙二醇的混合物、水和氯化钠的混合物、或水和乙醇的混合物，条件是相变材料具有与生物材料水溶液相同的渗透压。而且，PCM可进一步包含成核剂，例如碘化银或碘化铅的细颗粒，以确保相变材料在冷冻过程中不会过冷。内腔102可以通过口103填充PCM，口103随后被塞子封闭。冰壳衰减器装置10应配置有确定的设计，以确保PCM的量不高于50％的生物材料水溶液的体积，优选地不高于20％的生物材料水溶液的体积。可以基于所使用的PCM、隔热材料101的厚度和类型、要隔热的总面积以及外部热传递系数来计算PCM的量。例如，图6所示的冰壳衰减器装置10设计用于2L的方形瓶中。选择的隔热材料101是壁厚为1cm的聚乳酸(PLA)。因此，要在3小时期间冷冻水溶液，PCM的最小量应为约0.3kg。

在图6所示的实施方式中，冰壳衰减器装置10具有由低热导率材料制成的内壁。优选地，内壁可以由可模制材料300制成，配置为在冰壳衰减器装置10和固定形状容器20的顶部空间201的外表面之间获得良好的热接触，以确保在两个表面内没有空气。冰壳衰减器装置10与固定形状容器20的顶部空间201的外表面之间的热接触越好，隔热越好。因此，将固定形状容器20的顶部空间201压靠在可模制材料300上提高热接触的质量和可重复性，从而增强隔热。所述可模制材料300可以由优选地具有低热导率的任何弹性或软材料制成，例如挤出的聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、聚氯丁二烯或丙烯腈丁二烯橡胶。所述可模制材料300可以通过相容的粘合材料、通过机械方式或通过为此目的使用磁性材料的磁接触而附接到冰壳衰减器装置10。

在图7所示的另一个实施方式中，冰壳衰减器装置10可以分成两个本体以容易地连接和/或从固定形状容器20卸除。与合适且有效的锁定系统104相关联的该特征还可用于将冰壳衰减器装置10压靠在固定形状20的容器上。该实施方式促进压缩以获得令人满意的热接触和气密性。因此，重要的是两个本体紧密地连接并锁定以确保冰壳衰减器装置10的期望功能。冰壳衰减器装置的两个部分通过锁定系统104连接并锁定。该锁定系统104可以是标准方法，例如销、弹簧、铰链、枢轴或其它锁定装置。

测试上述冰壳衰减器装置10以在240(h)x 120(w)x 120(d)mm的尺寸的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)瓶中冷冻体积为1.8L的5％(m/V)蔗糖水溶液。在有和没有上述冰壳衰减器装置10的情况下进行该测试。在200分钟内，在3.5m/s和-65℃下将瓶在具有垂直(单向)气流的室内冷冻。图1a示出了没有冰壳衰减器装置10的普通冷冻过程，显示了在瓶的顶部空间201区域上形成具有典型的“锥形”形状的冰壳204。在冷冻45分钟后，观察到冰壳的形成，并且在100分钟后，冰壳204完全形成，而在容器的中央，溶液仍然是液体。此外，通过使用染料观察到容器中央的低温浓缩。进而，图1b示出了用冰壳衰减器装置10的冷冻过程。本文所用的冰壳衰减器装置10具有填充有相变材料的内腔。图1b示出了冰壳衰减器装置10促使形成受控的冰峰(冰前沿，ice front)，避免了冰壳的形成，该冰壳通常以“锥形”形状为特征，因为冰壳经历冷冻直到溶液完全冷冻。测试结果表明，上述装置可避免冰壳的形成，因此降低容器内部的压力。还评估了在冷冻体积为5L的5％(m/V)的蔗糖水溶液期间，322(h)x 268(w)x 168(d)mm的尺寸的5L PET瓶内的压力。在360分钟内，在-75℃下将瓶在具有垂直(单向)气流的室内冷冻。图2示出了在没有冰壳衰减器装置10的冷冻过程期间瓶内部的压力增加。

在图8所示的示例性实施方式中，示出了用于冷冻、运输、储存和解冻生物材料水溶液的另一冰壳衰减器装置40。当在可模制容器30中冷冻、运输、储存和解冻生物材料水溶液时，应优先使用冰壳衰减器装置40。配置为包含生物材料水溶液的所述可模制容器30可以采取多种形式的配置，例如袋，并且在一端包括至少用于无菌填充和排气操作的管202。当填充有产品时，可模制容器30可以变形，并且可以由生物相容性聚合物材料制成以促进与生物材料的相容性。例如，生物相容性聚合物材料可以是乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、乙烯-乙烯醇共聚物、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚酯、聚酰胺、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚氨酯、聚氯乙烯，以及包含上述的共聚物、混合物或层压材料。可模制容器30的优点取决于与支架500的形状一致的固有特性。这对于促进可模制容器30与冰壳衰减器装置40之间的良好热接触和可重复性很重要。可模制容器30的尺寸和容量可以变化。在一个优选的实施方式中，可模制容器的容积在约10mL至约20L范围内，优选在约2L至约20L范围内，且更优选在约2L至约10L范围内。

当将可模制容器(袋)直接放置在冷冻室的室中时，图8所示的冰壳衰减器装置40在常见的冷冻过程中特别适合。因此，通过具有配置为放置在腔中并且在与其上表面接触的位于容器顶部中的冰壳衰减器装置40，容器的上面被保持在隔热条件下，从而避免形成顶部冰壳，因此避免损坏容器，如前所述。冰壳衰减器装置40应具有与前述冰壳衰减器装置10相同的技术特征。冰壳衰减器装置40可以由隔热材料401制成，例如塑料、聚合物或具有低热导率的其它材料。优选地，隔热材料401可以是热导率小于0.5W m

冰壳衰减器装置40还可以包括前述可模制材料600。所述可模制材料600可以由优选地具有低热导率的任何弹性或软材料制成，例如挤出的聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、聚氯丁二烯或丙烯腈丁二烯橡胶。可模制材料600配置为压靠在可模制容器30的上表面上，促进冰壳衰减器装置40与可模制容器30的外表面之间的良好的热接触，从而确保两个表面之间没有空气。所述可模制材料600可以通过相容的粘合材料、通过机械方式或通过为此目的使用磁性材料的磁接触而附接到冰壳衰减器装置40。

在图9所示的另一个实施方式中，冰壳衰减器装置40可以连接到支架500以容纳可模制容器30。具有支架500的优点是在冷冻、运输、储存和解冻生物材料水溶液期间保护可模制容器30，避免可模制容器30的损坏。所述支架500可以由塑料、聚合物或具有低热导率的其它材料制成。

在另一个实施方式中，支架500还可包括一个或多个由金属、合金或高热导率聚合物制成的表面。优选地，由热导率高于0.5W m

在图10所示的另一个实施方式中，它可用于在垂直位置在小体积可模制容器中30将生物材料水溶液冷冻、储存和解冻。然而，使用诸如袋的可模制容器冷冻小体积可导致上述问题(冰壳形成和容器变形)，以及与质量和可再现性有关的问题。因此，如图10所示，为避免此类问题，使用包括热传递底部702设计的支架700以将可模制容器30容纳在腔701中来冷冻可模制容器30中的生物材料水溶液可以是有用的。支架700具有热传递底部702，以显著加速在可模制容器30的底部中的热传递，从而增加生物材料水溶液的冷冻和成核的可再现性和可扩展性(可规模化性，scalability)。热传递底部702可以由金属、合金或高热导率的聚合物制成。热传递底部702可保持接触流体以增强热传递底部702与可模制容器30的底部之间的热接触，从而增强几个容器之间的受控成核的可再现性，并且还减少成核时间。

在图10所示的实施方式中，支架700将使可模制容器30的侧壁隔热，并用作支撑以允许单向自下而上冷冻并响应于由于冷冻的生物材料的膨胀而保持可模制容器30的形状。支架700可以由塑料、聚合物或具有低热导率的其它材料制成。重要的是促进可模制容器30与支架700之间的热接触。

在另一个实施方式中，支架700可具有各自彼此相邻的多个腔701以接受多个可模制容器30。利用这种策略，可以增加每个支架700的可模制容器30的数量，以确保多个可模制容器30将经历相似的时间-温度曲线，从而提高冷冻再现性。除了具有多个腔701之外，所有其余特征都与之前描述的相同。

在另一个实施方式中，为了避免在可模制容器30的顶部形成冰壳，使用放置在等温温度室或在顶部具有冰壳衰减器装置40的隔室中的支架700来冷冻生物材料水溶液可以是有用的。室顶部中的冰壳衰减器装置40将消除由于辐射在液体顶部界面处的热量损失，并且在冷冻期间不会使容器顶部空间中的空气冷却。

本公开的其它实施方式可以通过受控加热的组装，借助于温度受控的流体的内部流动，通过电阻，或者通过其温度由电流控制的热电元件(Peltier)来获得。

不应以任何方式将本公开局限于所描述的实施方式，并且本领域技术人员将预见到对其修改的许多可能性。

上述实施方式是可组合的。

所附权利要求进一步阐述了本公开的特定实施方式。